- 基于單片機(jī)的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
- 監(jiān)測系統(tǒng)的性能
- 串聯(lián)鋰離子電池組的共地問題
- 通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理
- 采用高共模抑制比差分運(yùn)放INA117解決共地問題
- 風(fēng)扇及加熱控制電路的設(shè)計(jì)
介紹一個(gè)以51系列單片機(jī)為主控單元的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)。采用差分放大器和模擬開關(guān)輪流檢測單體電池電壓，利用單片機(jī)的IO接口和DS18B20實(shí)現(xiàn)單總線多點(diǎn)溫度檢測。系統(tǒng)簡單經(jīng)濟(jì)，經(jīng)過試驗(yàn)，能可靠、準(zhǔn)確地對串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監(jiān)測。
具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)的鋰離子電池，在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由若干節(jié)鋰離子電池經(jīng)串聯(lián)組成的動(dòng)力鋰離子電池組目前應(yīng)用最為廣泛。由于每節(jié)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(diǎn)，必須對串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監(jiān)測，確保在使用中鋰離子電池具有良好的狀態(tài)，或者使用中電池出現(xiàn)問題立即報(bào)警，電源管理系統(tǒng)立即采取保障措施，并提醒相關(guān)人員檢修。單體電壓和電池組的溫度是辨別串聯(lián)鋰離子電池組是否正常工作的主要技術(shù)指標(biāo)。文獻(xiàn)[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(jìn)行測量。該方法反應(yīng)時(shí)間慢、誤差較大、控制復(fù)雜；文獻(xiàn)[2]采用運(yùn)放和光藕繼電器來測量串聯(lián)電池組的單體電壓。該方法對光耦的線性度要求很高，導(dǎo)致硬件成本較高。目前，直接采用集成芯片的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)受到青睞，但該方法串聯(lián)電池的數(shù)目固定，導(dǎo)致應(yīng)用不靈活、硬件成本高等缺點(diǎn)。文中研制了一種動(dòng)力鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)，對串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和電池組的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測，當(dāng)單體電池電壓偏離規(guī)定區(qū)間時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警程序進(jìn)行聲、光報(bào)警；當(dāng)電池組溫度偏離規(guī)定的區(qū)間時(shí)，監(jiān)測系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)扇或加熱控制電路，并存儲有關(guān)數(shù)據(jù)，確保電池組正常工作。整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)具有連續(xù)測量分量、簡單經(jīng)濟(jì)、精度高和可靠性高的特點(diǎn)。
1 技術(shù)和方案
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)包括采用51系列單片機(jī)的核心控制模塊、鋰離子電池組狀態(tài)采集模塊、信號調(diào)理模塊，報(bào)警及處理系統(tǒng)模塊，監(jiān)測系統(tǒng)可以通過RS485接口與PC機(jī)組成分布式監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一臺PC監(jiān)測多個(gè)串聯(lián)電池組，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
狀態(tài)采集模塊包括對單體電池的電壓和電池組的溫度等參數(shù)進(jìn)行采集，然后待測量信號進(jìn)行處理，通過A/D轉(zhuǎn)換器采樣后傳輸給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將有效數(shù)據(jù)通過串口傳到本地PC機(jī)，監(jiān)測人員可以通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)的進(jìn)行分析從而掌握電池組的工作情況，對不安全的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的處理，確保其工作的可靠性。
圖1 串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
1.2 串聯(lián)鋰離子電池組的共地問題
串聯(lián)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(diǎn)是大阻值電阻的漂移誤差和電阻漏電流導(dǎo)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(gè)單體電池用一個(gè)隔離運(yùn)算放大器，但是它的體積大且價(jià)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(shè)計(jì)選用德州儀器公司的INA117來解決串聯(lián)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86dB，共模輸入電壓范圍±200V，適合于高精度的測量。
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INA117內(nèi)置了380kΩ、20kΩ和21.1kΩ 3個(gè)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(tǒng)復(fù)雜程度。圖2是INA117輸出1節(jié)電池電壓的接法，6腳和1腳之間的電壓就是1節(jié)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(tǒng)采用16個(gè)INA117分別把16節(jié)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(gè)INA117都有相同的信號地，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。共地點(diǎn)選在第8節(jié)電池負(fù)極和第9節(jié)電池正極的連接處。
每節(jié)鋰離子電池最高電壓為5V，由圖3可得，第1個(gè)INA117的3腳的輸入電勢最高為40V。同理，第16個(gè)INA117的2腳輸入電勢最低為-40V。第1至8個(gè)INA117的輸出電壓為正，第9至16個(gè)INA117的輸出電壓為負(fù)，所以多選一模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器都要求可以輸入正、負(fù)電壓。多選一模擬開關(guān)選用MUX16，為16選1可正負(fù)電壓輸入模擬開關(guān)，因此16節(jié)電池只需1個(gè)MUX16.但由于單片機(jī)IO口有限，文中用一片74LS154擴(kuò)展了IO口，僅用單片機(jī)的4個(gè)IO口即可控制MUX16分別選通單節(jié)鋰離子電池進(jìn)行電壓采樣。
圖3 16個(gè)INA117的共地點(diǎn)接法
1.3 A/D轉(zhuǎn)換器
監(jiān)測電池組無需用很高的采樣速度采樣每節(jié)電池的電壓，16節(jié)電池電壓的采樣共用1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器[4]。各節(jié)電池輸入的測量電壓通過多選一模擬開關(guān)MUX16與A/D轉(zhuǎn)換器連接。根據(jù)電池電壓的更新周期和電壓要求，A/D轉(zhuǎn)換器傳送給單片機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換值誤差最大為10mV。選擇美信公司MAX1272。
MAX1272是具有故障保護(hù)、可通過軟件選擇輸入范圍的12位串行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，使用SPI三線通信協(xié)議，+5V供電，模擬輸入電壓范圍0~10V，0~5V，±10V，±5V。內(nèi)部自帶+4.096V參考電壓。當(dāng)采用內(nèi)部+4.096V參考電壓時(shí)，理想情況下模擬電壓輸入對應(yīng)的數(shù)字輸出，如表1所示。
表1 理想情況下模擬電壓輸入對應(yīng)的數(shù)字輸出
由表1可知，MAX1272輸出的數(shù)字量最高位是符號位，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+4.096V時(shí)，1LSB=1.2207mV。
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5mV。INA117精度高，正常情況下，誤差在1mV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)測系統(tǒng)在電壓誤差10mV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2.2μF鉭電容和0.1μF陶瓷電容。
PCB布線時(shí)，這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX1272。
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1.4 溫度監(jiān)測
針對串聯(lián)電池組，傳統(tǒng)的測溫方法多采用模擬溫度傳感器進(jìn)行測量，在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過程中易受外界環(huán)境的干擾，從而使測得的結(jié)果誤差較大，且當(dāng)測量點(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 溫度巡回檢測系統(tǒng)框圖
采用外部5V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，而無需外接驅(qū)動(dòng)電路。測溫范圍-55~ +125℃；測溫精度：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)測點(diǎn)，同時(shí)檢測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
對于電池的散熱問題，設(shè)計(jì)了風(fēng)扇控制電路，通過對測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24V電源電壓的供電下開始工作。
圖6 風(fēng)扇控制電路
對于應(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(fā)生不可逆的反應(yīng)。
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(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)測系統(tǒng)的性能
實(shí)測證明，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)測系統(tǒng)監(jiān)測16節(jié)3.7V鋰離子電池，電壓的測量誤差完全在10mV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<2.2V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>5V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
串聯(lián)鋰離子電池組檢測系統(tǒng)，采用高共模抑制比差分運(yùn)放INA117解決了共地問題，監(jiān)測電壓誤差正負(fù)10mV，如要進(jìn)一步提高檢測精度，可以選用高位A/D轉(zhuǎn)換器。檢測時(shí)，鋰離子電池是串聯(lián)接在檢測模塊上的，要保證接線正確。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，可把幾個(gè)檢測系統(tǒng)串接起來檢測更多的串聯(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。
