一种串联型锂离子电池组监测系统的设计应用

2、串联锂离子电池组的共地问题

串联锂离子电池组电压测量的方法有多种，最简单的是电阻分压测量方法，该方法缺点是大阻值电阻的漂移误差和电阻漏电流导致测量精度低，且影响电池组的一致性。另外一种较为常用的方法是每一个单体电池用一个隔离运算放大器，但是它的体积大且价格高，适于测量精度要求高且不考虑漏电流和成本的场合。设计选用德州仪器公司的INA117 来解决串联锂离子电池组的共地问题。INA117 的失真为0. 001%; 共模拟制比最小86 dB，共模输入电压范围± 200 V，适合于高精度的测量。

INA117 内置了380 kΩ、20 kΩ 和21. 1 kΩ3 个电阻，因此外部电路省去精密电阻，减少了精密电阻带来的误差和系统复杂程度。图2 是INA117 输出1 节电池电压的接法，6 脚和1 脚之间的电压就是1 节电池两端的电压差。

图2 INA117 输出电压是两输入电压之差的接法

该检测系统采用16 个INA117 分别把16 节锂离子电池的单体电压挑选出来。如果它们的1 脚都接相同的地，就可以使16 个INA117 都有相同的信号地，A/D 转换器进行采样。共地点选在第8 节电池负极和第9 节电池正极的连接处。

每节锂离子电池最高电压为5 V，由图3 可得，第1 个INA117 的3 脚的输入电势最高为40 V.同理，第16 个INA117 的2 脚输入电势最低为- 40 V.第1 至8 个INA117 的输出电压为正，第9 至16 个INA117 的输出电压为负，所以多选一模拟开关和A/D 转换器都要求可以输入正、负电压。多选一模拟开关选用MUX16，为16 选1 可正负电压输入模拟开关，因此16节电池只需1 个MUX16.但由于单片机IO 口有限，文中用一片74LS154 扩展了IO 口，仅用单片机的4 个IO 口即可控制MUX16 分别选通单节锂离子电池进行电压采样。

图3 16 个INA117 的共地点接法

3、A/D 转换器

监测电池组无需用很高的采样速度采样每节电池的电压，16 节电池电压的采样共用1 个A/D 转换器。各节电池输入的测量电压通过多选一模拟开关MUX16 与A/D 转换器连接。根据电池电压的更新周期和电压要求，A/D 转换器传送给单片机的电压转换值误差最大为10 mV.选择美信公司MAX1272。

MAX1272 是具有故障保护、可通过软件选择输入范围的12 位串行模拟数字转换器，使用SPI 三线通信协议，+ 5 V 供电，模拟输入电压范围0 ~ 10 V，0 ~ 5 V，± 10 V，± 5 V.内部自带+ 4. 096 V 参考电压。当采用内部+ 4. 096 V 参考电压时，理想情况下模拟电压输入对应的数字输出，如表1 所示。

表1 理想情况下模拟电压输入对应的数字输出

由表1 可知，MAX1272 输出的数字量最高位是符号位，余下的11 位是数据。负数以补码的形式给出。

参考电压为+ 4. 096 V 时，1LSB = 1. 220 7 mV。

MAX1272 的最大量化误差，加上非线性、失调等误差的影响，总误差约为5 mV.INA117 精度高，正常情况下，误差在1 mV 以内。因此，使用INA117 和MAX1272 的组合，可以满足串联锂离子电池组电池监测系统在电压误差10 mV 以下的要求。需要更高的电压精度，需要选用更高分辨率的A/D 转换器。

MAX1272 的线路连接图如图4 所示。

图4 MAX1272 的线路连接图

图4 中MAX1272 采用了内部参考电压，6 脚VREF 和地之间接2. 2 μF 钽电容和0. 1 μF 陶瓷电容。

PCB 布线时，这两个电容都要求尽量接近MAX1272。

4、温度监测

针对串联电池组，传统的测温方法多采用模拟温度传感器进行测量，在数据的采集和传输过程中易受外界环境的干扰，从而使测得的结果误差较大，且当测量点较多时，连线较复杂。文中采用单片机和单总线数字式温度传感器DS18B20 来解决上述问题。其原理如图5 所示。

图5 温度巡回检测系统框图

5、风扇及加热控制电路

对于电池的散热问题，设计了风扇控制电路，通过对测量到的电池温度值进行判断，决定风扇的开启或关闭。当温度过高时，单片机将发出信号开启风扇。

电路如图6 所示，FAN 为低电平时，晶体管9014 不导通，此时继电器无动作; 当FAN 为高电平时，晶体管9014 导通，使得继电器触点吸合，风扇在24 V 电源电压的供电下开始工作。

图6 风扇控制电路

对于应用环境复杂的串联锂离子电池组，除了要考虑温度过高的情况，还要考虑温度过低的情况。因为电池在温度过低的环境下运行时，会使锂离子活性变差，嵌入和脱出能力下降，容易在石墨晶体表面沉积，形成锂金属。形成的锂金属会与电解液发生不可逆的反应。

如果锂离子电池长期在低温下工作，则将使电池的容量下降明显。因此根据需要设计了加热器控制电路，原理如风扇控制电路。

监测系统的性能

实测证明，使用INA117、16 选1 模拟开关MUX16、MAX1272、51 单片机和DS18B20 的串联锂离子电池组监测系统监测16 节3. 7 V 锂离子电池，电压的测量误差完全在10 mV 以内。温度方面，由于DS18B20 精度较高，温度误差在1 ℃以内。电压和温度的测量均达到要求，系统运行可靠。当串联锂离子电池组任何一节电池电压< 2. 2 V 时，单片机调用轻度报警程序进行声光报警，并通报存在问题的电池。

当串联锂离子电池组任何一节电池电压> 5 V 时，单片机调用严重报警程序进行声光报警。如果温度值超出预设温度值的容许范围，串联锂离子电池组监测系统进行声光报警。风扇和加热控制电路均能根据设定温度正常启动控制电路。当温度低于5 ℃时，启动加热控制电路; 温度高于50 ℃时，启动风扇控制电路。

结束语

串联锂离子电池组检测系统，采用高共模抑制比差分运放INA117 解决了共地问题，监测电压误差正负10 mV，如要进一步提高检测精度，可以选用高位A/D转换器。检测时，锂离子电池是串联接在检测模块上的，要保证接线正确。根据实际应用，可把几个检测系统串接起来检测更多的串联锂离子电池组，但要确保共模电压不超过INA117 的最大保护共模电压范围。