便攜式串聯(lián)電池組電壓檢測系統的研究與設計

　　1 引言

　　串聯(lián)電池組廣泛應用于通訊電臺、便攜式電子設備、航天衛星、電動(dòng)白行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)及 UPS等領(lǐng)域。通常電池組中的單體電池的性能直接影響到電池組的整體性能，為了提高電池組的可靠性，其單體電池性能應該保持一致。對于重要設備，需要經(jīng)常在線(xiàn)監控所有單體電池，即測量單體電池電壓。

　　測量單體電池電壓的方法有多種，最簡(jiǎn)單的是用電阻分壓方式測量：依次測量各串聯(lián)節點(diǎn)的電壓，由于所測電壓是總電壓，單體電池電壓只占一部分，則測量精度按比例降低；另一種測量方法是每一個(gè)單體電池采用一個(gè)隔離運算放大器，這種運算放大器可把電池電壓轉換為統一參考地電壓，而且避免了由電阻分壓造成的漂移誤差和漏電流等問(wèn)題，但是體積大且價(jià)格高，僅適合于那些測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場(chǎng)合。另外，第三種方法是采用繼電器陣列選擇進(jìn)行測量，該方法控制開(kāi)關(guān)復雜。而目前電壓測量應用較多的是運算放大器差分放大法及直接采樣法，但這些方法都存在電路復雜，體積大的缺點(diǎn)，運用于那些對體積和重量有要求的領(lǐng)域則有一定的局限性。因此，這里提出一種采用普通光耦代替線(xiàn)性光耦的測量方法，以C8051F410嵌入式單片機為核心的便攜式串聯(lián)電池組電壓檢測系統。

　　2 系統工作原理

　　便攜式串聯(lián)電池組電壓檢測系統由電池電壓轉換電路、C8051F410單片機和LCD液品顯示器組成，如圖1所示。

　　2．1 電池電壓轉換原理

　　電池電壓轉換電路如圖2所示，該轉換電路是南普通光耦TLP521-1和運算放大器A1組成，電阻Rb為采樣電阻，電容Cn用來(lái)提高抗干擾能力。

　　圖2中，光耦選擇TLP521-1，運算放大器選擇LM324，輸入電阻取Ra=5 kΩ，采樣電阻Rb=1 kΩ，實(shí)驗曲線(xiàn)如圖3所示。標準電壓取安捷倫34401測量數值。

　　系統采用嵌入式單片機C8051F410。該器件采用高速8051μC內核，運行速度最高達50 Mi／s，最大程度地減少功耗和電磁輻射，提高系統的抗干擾能力；內置零誤碼率的12位A／D轉換器，采樣速率可達200 kS／s，最大為24路A/D轉換電路輸入端口，簡(jiǎn)化外圍A／D轉換通道切換控制電路，實(shí)現高準確度的模擬量采樣；在節電模式下，典型電流小于1μA，在 32 kHz下工作電流僅16μA?；谝陨咸攸c(diǎn)，采用C8051F410型單片機作為系統的核心，簡(jiǎn)化系統信號采樣和采樣通道控制電路的設計，減小系統體積。采用圖2所給出的電路轉換21節電池電壓。而系統的液晶顯示電路采用LCD低功耗驅動(dòng)器PCF8563，I2C總線(xiàn)接口，連線(xiàn)簡(jiǎn)單可靠。

　　3 試驗數據

　　在電壓測量實(shí)驗中，Ra=5 kΩ，Rb=5 kΩ，運算放大器選LM324，對比參考測試設備為安捷倫34401(直流電壓測試精度為0．001 V)。由10節電池組成的電池組進(jìn)行測試，表1為系統測試電壓對比，圖5為測量誤差。由表1和圖5可得出，12 V電池組系統測量誤差小于0．1％。

　　4 結論

　　經(jīng)理論分析與實(shí)驗驗證，該電池監測系統具有優(yōu)點(diǎn)：(1)用價(jià)格低廉的普通光耦測量電池組單個(gè)電池能滿(mǎn)足系統精度要求，可節約90％的器件成本，同時(shí)簡(jiǎn)化電路設計；(2)由于光耦的隔離電壓較高，該系統的串聯(lián)電池電壓的測量范同可達2 000 V，比繼電器的耐壓高3~5倍；(3)采用嵌入式C8051F410單片機，南于允許直接輸入多達24路模擬信號，測量電路簡(jiǎn)單，體積小。

　　綜上所述，系統實(shí)現了由普通光耦代替線(xiàn)性光耦的高精度應用，實(shí)現用低成本的電路解決高精度大量程電壓的測量問(wèn)題。體積小、重量輕和成本低的特點(diǎn)使系統在實(shí)現電池組檢測設備便攜式的應用方面有著(zhù)良好的應用前景。