串聯(lián)鋰離子電池組監測系統的設計

　　由表1 可知，MAX1272 輸出的數字量最高位是符號位，余下的11 位是數據。負數以補碼的形式給出。

　　參考電壓為+ 4. 096 V 時(shí)，1LSB = 1. 220 7 mV.

　　MAX1272 的最大量化誤差，加上非線(xiàn)性、失調等誤差的影響，總誤差約為5 mV.INA117 精度高，正常情況下，誤差在1 mV 以?xún)?。因此，使用INA117 和MAX1272 的組合，可以滿(mǎn)足串聯(lián)鋰離子電池組電池監測系統在電壓誤差10 mV 以下的要求。需要更高的電壓精度，需要選用更高分辨率的A/D 轉換器。

　　MAX1272 的線(xiàn)路連接圖如圖4 所示。

　　圖4 MAX1272 的線(xiàn)路連接圖

　　圖4 中MAX1272 采用了內部參考電壓，6 腳VREF 和地之間接2. 2 μF 鉭電容和0. 1 μF 陶瓷電容。

　　PCB 布線(xiàn)時(shí)，這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX1272。

　　1. 4 溫度監測

　　針對串聯(lián)電池組，傳統的測溫方法多采用模擬溫度傳感器進(jìn)行測量，在數據的采集和傳輸過(guò)程中易受外界環(huán)境的干擾，從而使測得的結果誤差較大，且當測量點(diǎn)較多時(shí)，連線(xiàn)較復雜。文中采用單片機和單總線(xiàn)數字式溫度傳感器DS18B20 來(lái)解決上述問(wèn)題［5］。其原理如圖5 所示。

　　圖5 溫度巡回檢測系統框圖

　　采用外部5 V 供電，總線(xiàn)上可掛接多片DS18B20，且可以同時(shí)進(jìn)行精確的溫度轉換，而無(wú)需外接驅動(dòng)電路。測溫范圍- 55 ~ + 125 ℃； 測溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內的精度為± 0. 5 ℃； 在溫度采集過(guò)程中，單片機芯片需對DS18B20 發(fā)命令字，同時(shí)也需要讀取由DS18B20 采集到的溫度。因此，單片機控制器的I /O必須被設置為具有雙向傳輸數據能力。

　　本檢測系統每隔一節鋰離子電池在總線(xiàn)上掛接一片DS18B20，設置8 個(gè)溫度監測點(diǎn)，同時(shí)檢測8 點(diǎn)溫度。實(shí)際應用時(shí)由單片機軟件判斷出需要顯示的溫度值： 當溫度高于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最高的溫度值； 當溫度低于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最低的溫度值，達到有效合理的溫度監控效果。

　　1. 5 風(fēng)扇及加熱控制電路

　　對于電池的散熱問(wèn)題，設計了風(fēng)扇控制電路，通過(guò)對測量到的電池溫度值進(jìn)行判斷，決定風(fēng)扇的開(kāi)啟或關(guān)閉。當溫度過(guò)高時(shí)，單片機將發(fā)出信號開(kāi)啟風(fēng)扇。

　　電路如圖6 所示，FAN 為低電平時(shí)，晶體管9014 不導通，此時(shí)繼電器無(wú)動(dòng)作； 當FAN 為高電平時(shí)，晶體管9014 導通，使得繼電器觸點(diǎn)吸合，風(fēng)扇在24 V 電源電壓的供電下開(kāi)始工作。

　　圖6 風(fēng)扇控制電路

　　對于應用環(huán)境復雜的串聯(lián)鋰離子電池組，除了要考慮溫度過(guò)高的情況，還要考慮溫度過(guò)低的情況。因為電池在溫度過(guò)低的環(huán)境下運行時(shí)，會(huì )使鋰離子活性變差，嵌入和脫出能力下降，容易在石墨晶體表面沉積，形成鋰金屬。形成的鋰金屬會(huì )與電解液發(fā)生不可逆的反應。

　　如果鋰離子電池長(cháng)期在低溫下工作，則將使電池的容量下降明顯。因此根據需要設計了加熱器控制電路，原理如風(fēng)扇控制電路。

　　2 監測系統的性能

　　實(shí)測證明，使用INA117、16 選1 模擬開(kāi)關(guān)MUX16、MAX1272、51 單片機和DS18B20 的串聯(lián)鋰離子電池組監測系統監測16 節3. 7 V 鋰離子電池，電壓的測量誤差完全在10 mV 以?xún)?。溫度方面，由于DS18B20 精度較高，溫度誤差在1 ℃以?xún)?。電壓和溫度的測量均達到要求，系統運行可靠。當串聯(lián)鋰離子電池組任何一節電池電壓 2. 2 V 時(shí)，單片機調用輕度報警程序進(jìn)行聲光報警，并通報存在問(wèn)題的電池。

　　當串聯(lián)鋰離子電池組任何一節電池電壓> 5 V 時(shí)，單片機調用嚴重報警程序進(jìn)行聲光報警。如果溫度值超出預設溫度值的容許范圍，串聯(lián)鋰離子電池組監測系統進(jìn)行聲光報警。風(fēng)扇和加熱控制電路均能根據設定溫度正常啟動(dòng)控制電路。當溫度低于5 ℃時(shí)，啟動(dòng)加熱控制電路； 溫度高于50 ℃時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)扇控制電路。

　　3 結束語(yǔ)

　　串聯(lián)鋰離子電池組檢測系統，采用高共模抑制比差分運放INA117 解決了共地問(wèn)題，監測電壓誤差正負10 mV，如要進(jìn)一步提高檢測精度，可以選用高位A/D轉換器。檢測時(shí)，鋰離子電池是串聯(lián)接在檢測模塊上的，要保證接線(xiàn)正確。根據實(shí)際應用，可把幾個(gè)檢測系統串接起來(lái)檢測更多的串聯(lián)鋰離子電池組，但要確保共模電壓不超過(guò)INA117 的最大保護共模電壓范圍。

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