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串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

作者: 時間:2011-12-07 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

 具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點的電池,在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、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)電池經(jīng)組成的動力目前應(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,必須對鋰離子進行,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,電源管理立即采取保障措施,并提醒相關(guān)人員檢修。單體電壓和的溫度是辨別鋰離子電池組是否正常工作的主要技術(shù)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(yīng)時間慢、誤差較大、控制復(fù)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(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。文中研制了一種動力鋰離子電池組,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,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(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。整個監(jiān)測系統(tǒng)具有連續(xù)測量分量、簡單經(jīng)濟、精度高和可靠性高的特點。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/178277.htm

  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(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)進行采集,然后待測量信號進行處理,通過A/D轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)圖

  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。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86 dB,共模輸入電壓范圍± 200 V,適合于高精度的測量。

  INA117 內(nèi)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(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

  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(zhuǎn)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(guān)和A/D 轉(zhuǎn)換器都要求可以輸入正、負電壓。多選一模擬開關(guān)選用MUX16,為16 選1 可正負電壓輸入模擬開關(guān),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

  圖3 16 個INA117 的共地點接法

  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)換器傳送給單片機的電壓轉(zhuǎn)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(shù)字轉(zhuǎn)換器,使用SPI 三線通信協(xié)議,+ 5 V 供電,模擬輸入電壓范圍0 ~ 10 V,0 ~ 5 V,± 10 V,± 5 V.內(nèi)部自帶+ 4. 096 V 參考電壓。當采用內(nèi)部+ 4. 096 V 參考電壓時,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

  表1 理想情況下模擬電壓輸入對應(yīng)的數(shù)字輸出


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