串聯(lián)電池電壓及溫度測量方法研究

    一、引言
    在提倡節(jié)能減排的時代背景下，新能源的研究正成為公眾關(guān)注的焦點，以電為動力的電動車就是研究的熱點之一。電池是電動車的能量之源，為確保電池組性能良好并延長其使用壽命，需要對電池組進(jìn)行管理和控制，其前提是必須準(zhǔn)確而又可靠的獲得電池現(xiàn)存的容量參數(shù)。電池的電壓及溫度是和電池容量密切相關(guān)的兩個參數(shù)，因此精確采集單體電池電壓及溫度是十分重要的。
    二、常用測量方法分析
    1、單體電池電壓測量方法分析
    串聯(lián)電池組單體電池電壓的測量方法有很多，比較常見的有機(jī)械繼電器法隔離檢測、差分放大器法隔離檢測、電壓分壓法隔離檢測、光電繼電器法等。機(jī)械繼電器法可直接測量每個單體的電壓，但是機(jī)械繼電器使用壽命有限、動作速度慢，不宜使用在長期快速巡檢過程中。差分放大器隔離法的測量誤差基本上由隔離放大器的誤差所決定，但是由于每一路的測量成本比較高，因此在經(jīng)濟(jì)性上略顯不足。電壓分壓法的響應(yīng)速度快、測量的成本低，但是其缺點是不能很好的調(diào)節(jié)分壓比例，測量精度也不能令人滿意。光電繼電器隔離法的響應(yīng)速度快，工作壽命長，測量的成本相對較低，開關(guān)無觸點，能夠起到電壓隔離的作用，若選用的光電繼電器采取PhotoMOS 技術(shù)，則能達(dá)到較高的測量精度，所以光電繼電器隔離法是比較理想的單體電池電壓測量方法。本文的單體電池電壓測量方法就是基于光電繼電器隔離法實現(xiàn)的。
    光電繼電器的通斷控制策略是光電繼電器隔離法要解決的重要問題。常用的光電繼電器的通斷控制方法有：I/O 直接控制、譯碼器控制、模擬開關(guān)控制等。I/O 直接控制方法簡單，容易實現(xiàn)，但是需要占用大量的I/O 資源。譯碼器控制和模擬開關(guān)控制的思想類似，即用數(shù)量少的I/O 去控制數(shù)量多的光電繼電器，這兩種方法減少了I/O 口的占用。采用I/O 直接控制、譯碼器控制和模擬開關(guān)控制都需要將通斷控制電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路及處理器設(shè)計在同一個模塊即采樣模塊上，這樣的話單體電池的兩個電極就需引線到采樣模塊上，整個電池組來講就會有大量的導(dǎo)線連到采樣模塊，造成安裝的繁瑣和電氣走線的復(fù)雜性。對單體電池電壓的測量，應(yīng)著重解決三個問題：使用現(xiàn)場與測量系統(tǒng)的電氣隔離、降低成本和簡化設(shè)計方案、提高系統(tǒng)精度。I/O 直接控制、譯碼器控制和模擬開關(guān)控制這三種光電繼電器的通斷控制方法在設(shè)計的簡潔性方面就顯得不足。
    本文提出一種由移位寄存陣控制光電繼電器通斷的光電繼電器隔離單體電池電壓測量方法。該方法將光電繼電器通斷控制電路直接設(shè)計安裝在電池上，之間的走線用排線串聯(lián)起來即可，使設(shè)計方案得到了很大的簡化，安裝方便，電氣走線簡潔明了。
    2、單體電池溫度測量方法分析
    電池溫度對電池的容量、電壓、內(nèi)阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方面都有較大的影響，所以電池在使用中必須進(jìn)行溫度監(jiān)測。
    目前單體電池溫度的測量一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A/D 采樣讀取熱敏電阻的端電壓，根據(jù)電阻—溫度關(guān)系可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個電池上，分時將不同電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進(jìn)行溫度采樣，實現(xiàn)單體電池溫度的巡檢。采用在熱敏電阻測量溫度，其測量精度為±1.0℃，誤差較大。同時有時由于制造工藝原因，熱敏電阻個體的溫度特性不是很一致，由此造成溫度測量校準(zhǔn)的困難。進(jìn)行多點溫度巡檢時，同樣要解決分時通道選通問題，所以同樣就需要考慮設(shè)計簡潔性問題。
    本文基于移位寄存陣控制通道選通的思想，提出了一種采用數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行同時啟動分時讀取數(shù)據(jù)的多點溫度采樣方法。采用該方法采樣精度較高，采樣速度快，安裝簡潔方便。
    三、測量原理和電路
    1、單體電池電壓測量原理
    本文作者曾經(jīng)基于光電繼電器隔離法設(shè)計了一套電池管理系統(tǒng)，單體電池電壓的測量是采用分時測量的方法。串聯(lián)電池組中各個電池的兩端通過光電繼電器隔離，然后統(tǒng)一連接到檢測總線上。按照一定的時間策略控制光電繼電器的通斷，可控制單體電池在不同的時間段單獨將電壓施加在檢測總線上，從而實現(xiàn)單體電池電壓的分時檢測。該方法的巡檢周期短，測量精度高。但是控制光電繼電器的通斷需要占用大量的I/O 資源，這就限制了電池管理系統(tǒng)可管理電池的數(shù)量。同時在電池管理系統(tǒng)的實際安裝時，由于電池兩端需要引線到采集模塊，所以就會有比較多的走線，導(dǎo)致電池管理系統(tǒng)安裝的不方便及電動車電氣走線的復(fù)雜性。本文為了改善以上的不足，提出一種新的光電繼電器控制策略。光電繼電器與串聯(lián)電池組的連接方式如圖1 所示。

    圖 1 中，E1,E2,……En 表示的是電池組，雙刀開關(guān)K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器組。在不同的時間分別單獨導(dǎo)通K1,K2,……Kn，即可實現(xiàn)單體電池E1,E2,……En 的電壓測量。光電繼電器組的通斷是由D 觸發(fā)器串聯(lián)而成的移位寄存陣控制，只需兩個I/O 口分別提供時鐘信號（CLK）和數(shù)據(jù)信號（D）即可工作，大大減少了I/O 資源的占用。實際設(shè)計時，一個D 觸發(fā)器和一對光電繼電器構(gòu)成選通模塊，一個電池對應(yīng)一個選通模塊，所以直接將選通模塊安裝在電池上，選通模塊之間用排線串聯(lián)起來構(gòu)成由移位寄存陣控制的選通電路。選通電路與電壓采集電路之間也用排線連接，需要的線數(shù)量很少，所以電池管理系統(tǒng)安裝方便，電氣走線簡潔明了。
    2、單體電池溫度測量原理
    電池溫度的測量采用DALLAS 公司的DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 采用單總線技術(shù)，測溫范圍-55°C~+125°C，全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換及輸出，支持多點組網(wǎng)功能，實現(xiàn)多點溫度采樣。需要說明的是，采用DS18B20 多點組網(wǎng)功能也可以實現(xiàn)單體電池溫度采樣，但是多點采樣時需要識別每個DS18B20 獨有的ROM 碼，影響采樣速度，同時無法將ROM碼同器件的實際物理位置關(guān)聯(lián)起來，所以多點組網(wǎng)功能不適合單體電池溫度的巡檢。基于由D 觸發(fā)器構(gòu)成的移位寄存陣所具有的通道選通功能，本文提出一種同時啟動，分時讀取數(shù)據(jù)的DS18B20 多點溫度采樣方法。該種方法中DS18B20的采樣啟動和數(shù)據(jù)讀取都是跳過ROM 碼校驗進(jìn)行的。DS18B20 的連接方式如圖2 所示。

    圖中 K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器，其通斷情況同樣由移位寄存陣控制。一開始K1,K2,……Kn 全部閉合，MCU向所有DS18B20 發(fā)送采樣啟動命令，啟動命令發(fā)送完后斷開所有光電繼電器，然后逐個閉合K1,K2,……Kn，讀取相應(yīng)傳感器的溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分時讀取數(shù)據(jù)。采用同時啟動分時讀取數(shù)據(jù)的多點溫度采樣方法，其所用時間僅比單點溫度采樣所用的時間多了數(shù)據(jù)讀取的時間，所以其采樣速度比較快。
    3、移位寄存陣原理
    移位寄存陣是由D 觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成的，它與光電繼電器一起構(gòu)成選通電路。圖3 中，D1,D2,……Dn 表示的是D 觸發(fā)器，每個D 觸發(fā)器的輸出Q 是下一個D 觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號，所有的D 觸發(fā)器由相同的時鐘信號控制。D 觸發(fā)器的反碼輸出Q 用來控制對應(yīng)的光電繼電器的通斷，當(dāng)Q 為高電平時光電繼電器斷開，當(dāng)Q 為低電平時光電繼電器導(dǎo)通。通過控制第一個D 觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號，可實現(xiàn)D1,D2,……Dn 的Q 逐個輸出低電平即移位功能，從而控制光電繼電器K1,K2,……Kn按順序的逐個單獨閉合，實現(xiàn)通道選通功能。

    移位寄存陣的工作時序圖如圖 4 所示。其中，CLK 是時鐘信號，D 為移位寄存陣中第一個D 觸發(fā)器的數(shù)據(jù)信號，Q 1,取的D 觸發(fā)器是上升沿觸發(fā)工作。在時鐘信號的第一個上升沿時，將D 置高電平，第一個D 觸發(fā)器的輸出Q1 在時鐘信號的第一個上升沿和第二個上升沿的時間段內(nèi)是高電平，Q 1為低電平。接下來一直將D 置為電平，每次時鐘信號的上升沿到來的時候，D 觸發(fā)器的輸出Q 的高電平狀態(tài)就會依次傳給下一個D 觸發(fā)器，即移位寄存陣的D 觸發(fā)器的Q 端依次在不同的時間段單獨輸出高電平，從而Q 1, Q 2,…… Q n 依次輸出低電平。在Q 1, Q 2, …… Q n 的控制下，光電繼電器K1,K2,……Kn 依次閉合。

    四、測量程序設(shè)計
    測量程序采用C 語言按照模塊化方法進(jìn)行編寫，分為通道選擇、A/D 采樣和溫度采樣三個模塊。在進(jìn)行電池管理系統(tǒng)設(shè)計時，可方便得將這三個模塊移植到電池管理系統(tǒng)的系統(tǒng)程序中，為電池管理系統(tǒng)提供電壓和溫度數(shù)據(jù)。測量程序的流程圖如圖5 所示。

    五、實驗結(jié)果及分析
    取一個電動摩托車的動力鋰電池進(jìn)行實驗，電池的容量為40AH。實驗過程中，對電池進(jìn)行0.15C（6A）放電，實時監(jiān)測電池的電壓和溫度。在電池電壓從3.9V 降到2.7V 的過程中，每隔40mV 讀取一次測量值。同時用五位半電壓表和高精度的溫度計進(jìn)行電壓和溫度的測量，測量的值就視為實際電壓和實際溫度。實驗結(jié)果如表1 所示。實驗結(jié)果顯示電壓測量的平均誤差小于10mV，溫度測量的平均誤差小于0.1℃，由此可見本文提出的方法可較準(zhǔn)確的測量單體電池的電壓及溫度。
    六、結(jié)束語
    本文提出的基于移位寄存陣控制的單體電池電壓及溫度測量方法，可實現(xiàn)串聯(lián)電池組的電壓及溫度的巡檢，巡檢的電池數(shù)量可靈活的增加和減少。相對于其他的測量方法，結(jié)構(gòu)簡潔明了，安裝方便等優(yōu)點。可為電池管理提供準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，在電池應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的前景。