串聯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，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。

　　1. 5 風扇及加熱控制電路

　　對于電池的散熱問題，設計了風扇控制電路，通過對測量到的電池溫度值進行判斷，決定風扇的開啟或關閉。當溫度過高時，單片機將發出信號開啟風扇。

　　電路如圖6 所示，FAN 為低電平時，晶體管9014 不導通，此時繼電器無動作； 當FAN 為高電平時，晶體管9014 導通，使得繼電器觸點吸合，風扇在24 V 電源電壓的供電下開始工作。

　　圖6 風扇控制電路

　　對于應用環境復雜的串聯鋰離子電池組，除了要考慮溫度過高的情況，還要考慮溫度過低的情況。因為電池在溫度過低的環境下運行時，會使鋰離子活性變差，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。形成的鋰金屬會與電解液發生不可逆的反應。

　　如果鋰離子電池長期在低溫下工作，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，原理如風扇控制電路。

　　2 監測系統的性能

　　實測證明，使用INA117、16 選1 模擬開關MUX16、MAX1272、51 單片機和DS18B20 的串聯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 以內。溫度方面，由于DS18B20 精度較高，溫度誤差在1 ℃以內。電壓和溫度的測量均達到要求，系統運行可靠。當串聯鋰離子電池組任何一節電池電壓 2. 2 V 時，單片機調用輕度報警程序進行聲光報警，并通報存在問題的電池。

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

　　3 結束語

　　串聯鋰離子電池組檢測系統，采用高共模抑制比差分運放INA117 解決了共地問題，監測電壓誤差正負10 mV，如要進一步提高檢測精度，可以選用高位A/D轉換器。檢測時，鋰離子電池是串聯接在檢測模塊上的，要保證接線正確。根據實際應用，可把幾個檢測系統串接起來檢測更多的串聯鋰離子電池組，但要確保共模電壓不超過INA117 的最大保護共模電壓范圍。

　　參考文獻

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