串聯鋰離子電池組監測

具有高電壓、高容量、循環壽命長、安全性能好等優點的鋰離子電池，在便攜式電子設備、電動汽車、空間技術、國防工業等多方面具有廣闊的應用前景。由若干節鋰離子電池經串聯組成的動力鋰離子電池組目前應用最為廣泛。由于每節單體電池的電壓不一致，使用中電池不允許過充電、過放電，電池的性能和壽命受溫度影響較大等特點，必須對串聯鋰離子電池組進行監測，確保在使用中鋰離子電池具有良好的狀態，或者使用中電池出現問題立即報警，電源管理系統立即采取保障措施，并提醒相關人員檢修。單體電壓和電池組的溫度是辨別串聯鋰離子電池組是否正常工作的主要技術指標。文獻[1]采用直接采樣法，將要測量的單體電池電壓存儲在非電容上進行測量。該方法反應時間慢、誤差較大、控制復雜；文獻[2]采用運放和光藕繼電器來測量串聯電池組的單體電壓。該方法對光耦的線性度要求很高，導致硬件成本較高。目前，直接采用集成芯片的串聯鋰離子電池組監控系統受到青睞，但該方法串聯電池的數目固定，導致應用不靈活、硬件成本高等缺點。文中研制了一種動力鋰離子電池組監測系統，對串聯鋰離子電池組的單體電壓和電池組的溫度進行在線監測，當單體電池電壓偏離規定區間時，監測系統啟動報警程序進行聲、光報警；當電池組溫度偏離規定的區間時，監測系統啟動風扇或加熱控制電路，并存儲有關數據，確保電池組正常工作。整個監測系統具有連續測量分量、簡單經濟、精度高和可靠性高的特點。

　　1 技術和方案

　　1. 1 系統結構

　　串聯鋰離子電池組監測系統包括采用51 系列單片機的核心控制模塊、鋰離子電池組狀態采集模塊、信號調理模塊，報警及處理系統模塊，監測系統可以通過RS485 接口與PC 機組成分布式監測系統，實現一臺PC 監測多個串聯電池組，系統結構框圖如圖1 所示。

　　狀態采集模塊包括對單體電池的電壓和電池組的溫度等參數進行采集，然后待測量信號進行處理，通過A/D轉換器采樣后傳輸給單片機進行數據處理，將有效數據通過串口傳到本地PC 機，監測人員可以通過對狀態數據的進行分析從而掌握電池組的工作情況，對不安全的狀態進行及時的處理，確保其工作的可靠性。

圖1 串聯鋰離子電池組監測系統結構圖

　　1. 2 串聯鋰離子電池組的共地問題

　　串聯鋰離子電池組電壓測量的方法有多種，最簡單的是電阻分壓測量方法，該方法缺點是大阻值電阻的漂移誤差和電阻漏電流導致測量精度低，且影響電池組的一致性。另外一種較為常用的方法是每一個單體電池用一個隔離運算放大器，但是它的體積大且價格高，適于測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場合。設計選用德州儀器公司的INA117 來解決串聯鋰離子電池組的共地問題[3].INA117 的失真為0. 001%; 共模擬制比最小86 dB,共模輸入電壓范圍± 200 V,適合于高精度的測量。

　　INA117 內置了380 kΩ、20 kΩ 和21. 1 kΩ3 個電阻，因此外部電路省去精密電阻，減少了精密電阻帶來的誤差和系統復雜程度。圖2 是INA117 輸出1 節電池電壓的接法，6 腳和1 腳之間的電壓就是1 節電池兩端的電壓差。

圖2 INA117 輸出電壓是兩輸入電壓之差的接法

　　該檢測系統采用16 個INA117 分別把16 節鋰離子電池的單體電壓挑選出來。如果它們的1 腳都接相同的地，就可以使16 個INA117 都有相同的信號地，A/D 轉換器進行采樣。共地點選在第8 節電池負極和第9 節電池正極的連接處。

　　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。