一種新型電池組單體電池電壓檢測方法

摘要：闡述串聯(lián)電池組單體電池電壓檢測的現實(shí)意義。在比較現有檢測方法的基礎上，提出了一種結合開(kāi)關(guān)矩陣和差分放大器的新型單體電池電壓檢測方法，詳細設計了相關(guān)的電路，并給出實(shí)驗結果。相對于目前的單體電池電壓檢測方法，該方法具有結構簡(jiǎn)單，測量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

一、引言

隨著(zhù)純電動(dòng)車(chē)及混合動(dòng)力車(chē)的發(fā)展，作為重要儲能設備的串聯(lián)電池組是影響整車(chē)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。

延長(cháng)電池壽命，提高電池的使用效率是電動(dòng)汽車(chē)商品化、實(shí)用化的關(guān)鍵。由于水桶效應的存在，串聯(lián)電池組的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，為了能夠對串聯(lián)電池組的能量使用進(jìn)行有效管理，需要實(shí)時(shí)監視串聯(lián)電池組中的單體電池狀態(tài)。在表征電池狀態(tài)的參數中，電池的端電壓最能體現其工作狀態(tài)，因此精確采集電池組中各個(gè)單體電池電壓十分重要。

二、現有單體電池檢測方法

目前單體電池電壓測量方法有許多，主要可歸納為分壓電阻降壓、浮動(dòng)地測量、模擬開(kāi)關(guān)選通等幾種方法，下面就這些方法做一個(gè)分析：

1、電阻分壓法

電阻分壓法主要是通過(guò)電阻分壓將實(shí)際電壓衰減到測量芯片可接受的電壓范圍，然后進(jìn)行模數轉換。U1對應BT1 的電壓，Un-1 對應從BT1 到BTn-1 之間的電壓，Un 對應整個(gè)電池組的電壓，如圖1 所示。這種方法測量方面，成本低，壽命長(cháng)，但是存在累積誤差，且無(wú)法消除。隨著(zhù)單體電池數的增多，單體電池電壓測量誤差會(huì )隨著(zhù)共模電壓的增大而增大。

圖1 電阻分壓方案

2、浮動(dòng)地測量法

使用浮動(dòng)地技術(shù)測量電池端電壓時(shí)，窗口比較器會(huì )自動(dòng)判斷當前低電位是否合適。如果合適直接啟動(dòng)模數轉換進(jìn)行測量;如果太高或太低，則通過(guò)微控制器經(jīng)數模對低電位進(jìn)行浮動(dòng)控制使低電位處于合適的狀態(tài)下。該方案由于低電位經(jīng)常受現場(chǎng)干擾而變化，不能對低電位進(jìn)行精確控制，影響整個(gè)系統的測量效果。

3、模擬開(kāi)關(guān)法

采用模擬開(kāi)關(guān)的方案通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選擇測量通道，每個(gè)通道采用運算放大器組成線(xiàn)性采樣電路。當選中需要進(jìn)行測量的通道后，模擬開(kāi)關(guān)的輸出經(jīng)電壓跟隨器送入模數轉換器進(jìn)行模數轉換。該方法根據串聯(lián)電池組總電壓的大小，選擇適當的放大倍數，不必電阻分壓網(wǎng)絡(luò )或改變低電位就可以直接測量任意一只電池的電壓，測量方便。但是該方法需要數量眾多的運放和精密匹配電阻，成本高，且電阻的分散性會(huì )導致測量結果分散性較高。

文獻[4]提出采用開(kāi)關(guān)矩陣構建測量電路，該方案成本低，測量精度高，但是需要絕對值電路。文獻[5]采用運算放大器結合繼電器的方法，可以克服溫漂問(wèn)題，但是與采用模擬開(kāi)關(guān)的方法一樣，也需要大量的運算放大器和繼電器，且繼電器會(huì )有壽命問(wèn)題。

三、新型單體電池電壓檢測方法

1、整體方案

由于差分放大器可以克服共模信號的干擾，而只對差分信號進(jìn)行處理。利用開(kāi)關(guān)矩陣把每個(gè)單體電池的兩端引出，即可進(jìn)行端電壓的測量而不受到其它電池的影響。該方案整體結構如圖2所示，當SB1和SB2閉合時(shí)，其它開(kāi)關(guān)都關(guān)斷，電池BT1的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負端，經(jīng)過(guò)差分放大器放大后送入模數轉換器進(jìn)行模數轉換;當SB2和SB3閉合而其它開(kāi)關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電池BT2的兩端電位進(jìn)行差分放大器的正端和負端，依次類(lèi)推可以測量所有電池組中的單體電池電壓。

圖2 拓撲圖