串聯鋰離子電池組監測系統的設計方案

每節鋰離子電池最高電壓為5 V,由圖3 可得，第1 個INA117 的3 腳的輸入電勢最高為40 V.同理，第16 個INA117 的2 腳輸入電勢最低為- 40 V.第1 至8 個INA117 的輸出電壓為正，第9 至16 個INA117 的輸出電壓為負，所以多選一模擬開關和A/D 轉換器都要求可以輸入正、負電壓。多選一模擬開關選用MUX16,為16 選1 可正負電壓輸入模擬開關，因此16節電池只需1 個MUX16.但由于單片機IO 口有限，文中用一片74LS154 擴展了IO 口，僅用單片機的4 個IO 口即可控制MUX16 分別選通單節鋰離子電池進行電壓采樣。

圖3 16 個INA117 的共地點接法

1. 3 A/D 轉換器

監測電池組無需用很高的采樣速度采樣每節電池的電壓，16 節電池電壓的采樣共用1 個A/D 轉換器[4]。各節電池輸入的測量電壓通過多選一模擬開關MUX16 與A/D 轉換器連接。根據電池電壓的更新周期和電壓要求，A/D 轉換器傳送給單片機的電壓轉換值誤差最大為10 mV.選擇美信公司MAX1272.

MAX1272 是具有故障保護、可通過軟件選擇輸入范圍的12 位串行模擬數字轉換器，使用SPI 三線通信協議，+ 5 V 供電，模擬輸入電壓范圍0 ~ 10 V,0 ~ 5 V,± 10 V,± 5 V.內部自帶+ 4. 096 V 參考電壓。當采用內部+ 4. 096 V 參考電壓時，理想情況下模擬電壓輸入對應的數字輸出，如表1 所示。

表1 理想情況下模擬電壓輸入對應的數字輸出

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，1LSB = 1. 220 7 mV.

MAX1272 的最大量化誤差，加上非線性、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 以內。因此，使用INA117 和MAX1272 的組合，可以滿足串聯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，這兩個電容都要求盡量接近MAX1272。

1. 4 溫度監測

針對串聯電池組，傳統的測溫方法多采用模擬溫度傳感器進行測量，在數據的采集和傳輸過程中易受外界環境的干擾，從而使測得的結果誤差較大，且當測量點較多時，連線較復雜。文中采用單片機和單總線數字式溫度傳感器DS18B20 來解決上述問題[5].其原理如圖5 所示。

圖5 溫度巡回檢測系統框圖

采用外部5 V 供電，總線上可掛接多片DS18B20,且可以同時進行精確的溫度轉換，而無需外接驅動電路。測溫范圍- 55 ~ + 125 ℃; 測溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內的精度為± 0. 5 ℃; 在溫度采集過程中，單片機芯片需對DS18B20 發命令字，同時也需要讀取由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上掛接一片DS18B20,設置8 個溫度監測點，同時檢測8 點溫度。實際應用時由單片機軟件判斷出需要顯示的溫度值： 當溫度高于10 ℃時，顯示8 個溫度點中最高的溫度值; 當溫度低于10 ℃時，顯示8 個溫度點中最低的溫度值，達到有效合理的溫度監控效果。