串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　由表1 可知，MAX1272 輸出的數(shù)字量最高位是符號(hào)位，余下的11 位是數(shù)據(jù)。負(fù)數(shù)以補(bǔ)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，加上非線性、失調(diào)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 以內(nèi)。因此，使用INA117 和MAX1272 的組合，可以滿足串聯(lián)鋰離子電池組電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)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(zhuǎn)換器。

　　MAX1272 的線路連接圖如圖4 所示。

　　圖4 MAX1272 的線路連接圖

　　圖4 中MAX1272 采用了內(nèi)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 布線時(shí)，這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX1272。

　　1. 4 溫度監(jiān)測(cè)

　　針對(duì)串聯(lián)電池組，傳統(tǒng)的測(cè)溫方法多采用模擬溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中易受外界環(huán)境的干擾，從而使測(cè)得的結(jié)果誤差較大，且當(dāng)測(cè)量點(diǎn)較多時(shí)，連線較復(fù)雜。文中采用單片機(jī)和單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20 來解決上述問題［5］。其原理如圖5 所示。

　　圖5 溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)框圖

　　采用外部5 V 供電，總線上可掛接多片DS18B20，且可以同時(shí)進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，而無(wú)需外接驅(qū)動(dòng)電路。測(cè)溫范圍- 55 ~ + 125 ℃； 測(cè)溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內(nèi)的精度為± 0. 5 ℃； 在溫度采集過程中，單片機(jī)芯片需對(duì)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(jī)控制器的I /O必須被設(shè)置為具有雙向傳輸數(shù)據(jù)能力。

　　本檢測(cè)系統(tǒng)每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片DS18B20，設(shè)置8 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)8 點(diǎn)溫度。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由單片機(jī)軟件判斷出需要顯示的溫度值： 當(dāng)溫度高于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最高的溫度值； 當(dāng)溫度低于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最低的溫度值，達(dá)到有效合理的溫度監(jiān)控效果。

　　1. 5 風(fēng)扇及加熱控制電路

　　對(duì)于電池的散熱問題，設(shè)計(jì)了風(fēng)扇控制電路，通過對(duì)測(cè)量到的電池溫度值進(jìn)行判斷，決定風(fēng)扇的開啟或關(guān)閉。當(dāng)溫度過高時(shí)，單片機(jī)將發(fā)出信號(hào)開啟風(fēng)扇。

　　電路如圖6 所示，F(xiàn)AN 為低電平時(shí)，晶體管9014 不導(dǎo)通，此時(shí)繼電器無(wú)動(dòng)作； 當(dāng)FAN 為高電平時(shí)，晶體管9014 導(dǎo)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始工作。

　　圖6 風(fēng)扇控制電路

　　對(duì)于應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜的串聯(lián)鋰離子電池組，除了要考慮溫度過高的情況，還要考慮溫度過低的情況。因?yàn)殡姵卦跍囟冗^低的環(huán)境下運(yùn)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(yīng)。

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

　　2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能

　　實(shí)測(cè)證明，使用INA117、16 選1 模擬開關(guān)MUX16、MAX1272、51 單片機(jī)和DS18B20 的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)16 節(jié)3. 7 V 鋰離子電池，電壓的測(cè)量誤差完全在10 mV 以內(nèi)。溫度方面，由于DS18B20 精度較高，溫度誤差在1 ℃以內(nèi)。電壓和溫度的測(cè)量均達(dá)到要求，系統(tǒng)運(yùn)行可靠。當(dāng)串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓 2. 2 V 時(shí)，單片機(jī)調(diào)用輕度報(bào)警程序進(jìn)行聲光報(bào)警，并通報(bào)存在問題的電池。

　　當(dāng)串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓> 5 V 時(shí)，單片機(jī)調(diào)用嚴(yán)重報(bào)警程序進(jìn)行聲光報(bào)警。如果溫度值超出預(yù)設(shè)溫度值的容許范圍，串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行聲光報(bào)警。風(fēng)扇和加熱控制電路均能根據(jù)設(shè)定溫度正常啟動(dòng)控制電路。當(dāng)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(jié)束語(yǔ)

　　串聯(lián)鋰離子電池組檢測(cè)系統(tǒng)，采用高共模抑制比差分運(yùn)放INA117 解決了共地問題，監(jiān)測(cè)電壓誤差正負(fù)10 mV，如要進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，可以選用高位A/D轉(zhuǎn)換器。檢測(cè)時(shí)，鋰離子電池是串聯(lián)接在檢測(cè)模塊上的，要保證接線正確。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可把幾個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)串接起來檢測(cè)更多的串聯(lián)鋰離子電池組，但要確保共模電壓不超過INA117 的最大保護(hù)共模電壓范圍。

　　參考文獻(xiàn)

　　［1］ 譚磊。 多單元電池組單元電池電壓測(cè)量［J］。 電測(cè)與儀表，1999（ 11） ： 17 - 19.

　?。?］ 蔣新華，雷娟，馮毅，等。 串聯(lián)電池組電壓測(cè)量的新方法［J］。 儀器儀表學(xué)報(bào)， 2007， 28（ 4） ： 734 - 737.

　　［3］ 孫肖子，樓順天，李先銳，等。 模擬及數(shù)?；旌掀骷脑砼c應(yīng)用［M］。 北京： 科學(xué)出版社， 2009.

　?。?］ 彭明杰，鐘漢樞。 串聯(lián)電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］。 儀表技術(shù)與傳感器， 2005（ 5） ： 42 - 44.

　?。?］ 付進(jìn)軍，齊鉑金，吳紅杰，等。 動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)單總線測(cè)溫技術(shù)研究［J］。 中國(guó)測(cè)試技術(shù)， 2004，6（ 30） ： 10 - 12.