一、引言
隨著純電動(dòng)車及混合動(dòng)力車的發(fā)展，作為重要儲(chǔ)能設(shè)備的串聯(lián)電池組是影響整車性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。
延長電池壽命，提高電池的使用效率是電動(dòng)汽車商品化、實(shí)用化的關(guān)鍵。由于水桶效應(yīng)的存在，串聯(lián)電池組的整體性能取決于電池組中性能最差的單體電池，為了能夠?qū)Υ?lián)電池組的能量使用進(jìn)行有效管理，需要實(shí)時(shí)監(jiān)視串聯(lián)電池組中的單體電池狀態(tài)。在表征電池狀態(tài)的參數(shù)中，電池的端電壓最能體現(xiàn)其工作狀態(tài)，因此精確采集電池組中各個(gè)單體電池電壓十分重要。
二、現(xiàn)有單體電池檢測(cè)方法
目前單體電池電壓測(cè)量方法有許多，主要可歸納為分壓電阻降壓、浮動(dòng)地測(cè)量、模擬開關(guān)選通等幾種方法，下面就這些方法做一個(gè)分析：
1、電阻分壓法
電阻分壓法主要是通過電阻分壓將實(shí)際電壓衰減到測(cè)量芯片可接受的電壓范圍，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。U1對(duì)應(yīng)BT1 的電壓，Un-1 對(duì)應(yīng)從BT1 到BTn-1 之間的電壓，Un 對(duì)應(yīng)整個(gè)電池組的電壓，如圖1 所示。這種方法測(cè)量方面，成本低，壽命長，但是存在累積誤差，且無法消除。隨著單體電池?cái)?shù)的增多，單體電池電壓測(cè)量誤差會(huì)隨著共模電壓的增大而增大。
圖1 電阻分壓方案
2、浮動(dòng)地測(cè)量法
使用浮動(dòng)地技術(shù)測(cè)量電池端電壓時(shí)，窗口比較器會(huì)自動(dòng)判斷當(dāng)前低電位是否合適。如果合適直接啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行測(cè)量；如果太高或太低，則通過微控制器經(jīng)數(shù)模對(duì)低電位進(jìn)行浮動(dòng)控制使低電位處于合適的狀態(tài)下。該方案由于低電位經(jīng)常受現(xiàn)場(chǎng)干擾而變化，不能對(duì)低電位進(jìn)行精確控制，影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量效果。
3、模擬開關(guān)法
采用模擬開關(guān)的方案通過模擬開關(guān)選擇測(cè)量通道，每個(gè)通道采用運(yùn)算放大器組成線性采樣電路。當(dāng)選中需要進(jìn)行測(cè)量的通道后，模擬開關(guān)的輸出經(jīng)電壓跟隨器送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。該方法根據(jù)串聯(lián)電池組總電壓的大小，選擇適當(dāng)?shù)姆糯蟊稊?shù)，不必電阻分壓網(wǎng)絡(luò)或改變低電位就可以直接測(cè)量任意一只電池的電壓，測(cè)量方便。但是該方法需要數(shù)量眾多的運(yùn)放和精密匹配電阻，成本高，且電阻的分散性會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果分散性較高。
文獻(xiàn)[4]提出采用開關(guān)矩陣構(gòu)建測(cè)量電路，該方案成本低，測(cè)量精度高，但是需要絕對(duì)值電路。文獻(xiàn)[5]采用運(yùn)算放大器結(jié)合繼電器的方法，可以克服溫漂問題，但是與采用模擬開關(guān)的方法一樣，也需要大量的運(yùn)算放大器和繼電器，且繼電器會(huì)有壽命問題。
三、新型單體電池電壓檢測(cè)方法
1、整體方案
由于差分放大器可以克服共模信號(hào)的干擾，而只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行處理。利用開關(guān)矩陣把每個(gè)單體電池的兩端引出，即可進(jìn)行端電壓的測(cè)量而不受到其它電池的影響。該方案整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)SB1和SB2閉合時(shí)，其它開關(guān)都關(guān)斷，電池BT1的兩端電位分別接入差分放大器的正端和負(fù)端，經(jīng)過差分放大器放大后送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)SB2和SB3閉合而其它開關(guān)都關(guān)斷時(shí)，電池BT2的兩端電位進(jìn)行差分放大器的正端和負(fù)端，依次類推可以測(cè)量所有電池組中的單體電池電壓。
圖2 拓?fù)鋱D
2、信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)
由于圖2中的線5和6上既存在有用的差分信號(hào)也存在共模信號(hào)，為了能夠抑制共模信號(hào)的影響，采用差分放大電路對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行放大，其電路如圖3所示。根據(jù)運(yùn)算放大器的特性，得到電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)關(guān)系為：
這里取R1 = R2 =10 kΩ，R3 = R4 = 5 kΩ，R1、R2、R3、R4均為精密電阻，因此有：
由于差模信號(hào)V+-V-可正（測(cè)量偶數(shù)標(biāo)號(hào)電池）可負(fù)（測(cè)量奇數(shù)標(biāo)號(hào)電池），所以必須提高Vref 以便進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
圖3 差分放大電路
從上述分析可以看出，整個(gè)信號(hào)調(diào)理電路只需要4個(gè)精密電阻和一個(gè)運(yùn)算放大器，非常簡潔，而且運(yùn)算放大只有在需要測(cè)量時(shí)才與相應(yīng)的電池相連，不存在文獻(xiàn)[5]提到的漏電流問題。
3、開關(guān)矩陣的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
開關(guān)矩陣由光耦A(yù)QW214EH構(gòu)成，它具有導(dǎo)通電阻極小，速度快的優(yōu)點(diǎn)，如圖4所示。一個(gè)芯片內(nèi)部集成了兩個(gè)具有光電隔離的開關(guān)，通過微處理器的I/O電平可以實(shí)現(xiàn)開和關(guān)。
圖4 光電繼電器電路
由圖2可以看出，當(dāng)電池組有n個(gè)單體電池時(shí)，需要n+1個(gè)開關(guān)，如果每個(gè)開關(guān)用1個(gè)處理器I/O控制，則整個(gè)電路需要占用n+1個(gè)I/O,當(dāng)單體電池?cái)?shù)目較多的時(shí)候，普通的微處理器沒有辦法承擔(dān)。所以必須用更少的I/O數(shù)量來實(shí)現(xiàn)，在此，筆者使用了分時(shí)復(fù)用的辦法。下面以電池組有20個(gè)單體電池的情況為例進(jìn)行說明。
在沒有分時(shí)復(fù)用時(shí)，需要占用21個(gè)I/O口。現(xiàn)在把電池組分成兩半，設(shè)計(jì)出新的開關(guān)陣，如圖5.第一部分為1~10號(hào)電池，第二部分為11~20號(hào)電池。給每個(gè)電池端設(shè)置一個(gè)開關(guān)（SB1~SB11,SB12~SB22），分別對(duì)單個(gè)電池進(jìn)行選通，同時(shí)給每一組電池設(shè)置總開關(guān)（SB23~SB24,SB25~SB26），來選通第一或第二組電池。開關(guān)SB1~SB11和SB12~SB22就可以對(duì)應(yīng)占用相同的微處理器I/O口，即I/O0~I/O10,從而總占用I/O就由21個(gè)減少到15個(gè)（包括4個(gè)總開關(guān)I/O）。當(dāng)測(cè)量1號(hào)電池時(shí)，I/O0和I/O1為低電平，SB1、SB2、SB12、SB13閉合，同時(shí)閉合SB23、SB24,斷開SB25、SB26,則1號(hào)電池端電壓進(jìn)入測(cè)量總線V+、V-,經(jīng)過差分放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換后便可算出端電壓，而SB12、SB13雖然閉合，卻沒有任何影響。同理，當(dāng)測(cè)量11號(hào)電池電壓時(shí)，閉合SB1、SB2、SB12、SB13,同時(shí)閉合SB25、SB26,斷開SB23、SB24.測(cè)量其他電池時(shí)也進(jìn)行類似處理。
圖5 開關(guān)矩陣
由上面的分析可以看出，每增加1組電池，只要增加兩個(gè)總開關(guān)I/O.考慮一般情況，假設(shè)每組m個(gè)電池，總共n組，那么需要的總I/O數(shù)就是m +1+ 2n .電池?cái)?shù)越多，節(jié)省的I/O口越多。該電路的突出特點(diǎn)是不用任何的譯碼選擇芯片（比如3-8譯碼器），而只通過光電繼電器的組合來達(dá)到多選一的效果，所需元器件單一，分散性小。盡管AQW214EH的導(dǎo)通電阻非常小，還是存在一定壓降，這個(gè)可以通過多次試驗(yàn)用軟件加以修正。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
為了驗(yàn)證上述方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，圖3中的運(yùn)算放大器采用OP07,而模數(shù)轉(zhuǎn)換采用16位高精度A/D芯片AD7705.隨機(jī)抽取電池進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量電壓從2.7V~4.2V,每隔0.4V取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每隔測(cè)量點(diǎn)測(cè)6個(gè)數(shù)據(jù)，如表1所示。
表 1 電壓轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)結(jié)果
測(cè)量結(jié)果保留兩位小數(shù)點(diǎn)，從上表可以看出，本電路測(cè)量結(jié)果的最大絕對(duì)誤差基本上可以保持在15mV以內(nèi)，最大相對(duì)誤差小于0.02%,完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。
五、結(jié)論
串聯(lián)電池組的單體電池檢測(cè)具有重要實(shí)際意義，但是存在單體電池多，測(cè)量電路復(fù)雜等問題。本文利用開關(guān)矩陣對(duì)單體電池的端電壓進(jìn)行切換，并采用差分運(yùn)算放大器克服共模信號(hào)的影響。詳細(xì)設(shè)計(jì)了開關(guān)矩陣和差分運(yùn)算放大器，并進(jìn)行了優(yōu)化。最后根據(jù)方案實(shí)現(xiàn)了電池組單體電壓的采集，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法的精度可以滿足要求。相對(duì)于其它方法，本方案具有電流簡潔，體積小，元件品種少等優(yōu)點(diǎn)，有利于克服元件不一致引起的分散性。
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