介紹一個以51系列單片機為主控單元的串聯(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輪流檢測單體電池電壓，利用單片機的IO接口和DS18B20實現(xiàn)單總線多點溫度檢測,。系統(tǒng)簡單經濟,，經過試驗，能可靠,、準確地對串聯(lián)鋰離子電池組進行監(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(yè)等多方面具有廣闊的應用前景。由若干節(jié)鋰離子電池經串聯(lián)組成的動力鋰離子電池組目前應用最為廣泛,。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,，必須對串聯(lián)鋰離子電池組進行監(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)問題立即報警,，電源管理系統(tǒng)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(lián)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(lián)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(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(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行在線監(jiān)測,，當單體電池電壓偏離規(guī)定區(qū)間時，監(jiān)測系統(tǒng)啟動報警程序進行聲,、光報警,；當電池組溫度偏離規(guī)定的區(qū)間時，監(jiān)測系統(tǒng)啟動風扇或加熱控制電路,，并存儲有關數(shù)據(jù),，確保電池組正常工作。整個監(jiān)測系統(tǒng)具有連續(xù)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(tǒng)結構

串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)包括采用51系列單片機的核心控制模塊、鋰離子電池組狀態(tài)采集模塊,、信號調理模塊，報警及處理系統(tǒng)模塊,，監(jiān)測系統(tǒng)可以通過RS485接口與PC機組成分布式監(jiān)測系統(tǒng),，實現(xiàn)一臺PC監(jiān)測多個串聯(lián)電池組，系統(tǒng)結構框圖如圖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(shù)據(jù)處理,，將有效數(shù)據(jù)通過串口傳到本地PC機,，監(jiān)測人員可以通過對狀態(tài)數(shù)據(jù)的進行分析從而掌握電池組的工作情況，對不安全的狀態(tài)進行及時的處理,，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)結構圖

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(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,。

INA117內置了380kΩ、20kΩ和21.1kΩ 3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(tǒng)復雜程度。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(jié)電池負極和第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INA117的3腳的輸入電勢最高為40V。同理,，第16個INA117的2腳輸入電勢最低為-40V,。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(jié)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(jié)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(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A/D轉換器[4],。各節(jié)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(jù)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10mV,。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(shù)字轉換器,，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,。內部自帶+4.096V參考電壓,。當采用內部+4.096V參考電壓時，理想情況下模擬電壓輸入對應的數(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),。負數(shù)以補碼的形式給出。

參考電壓為+4.096V時,，1LSB=1.2207mV,。

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5mV,。INA117精度高，正常情況下,，誤差在1mV以內,。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轉換器,。