一種串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案_第1頁(yè)
一種串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案_第2頁(yè)
一種串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案_第3頁(yè)
一種串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案_第4頁(yè)
一種串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案_第5頁(yè)
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1、具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長(zhǎng)、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(chē)、 空間技術(shù)、國(guó)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(guò)充電、過(guò)放電,電池的性能和 壽命受溫度影響較大等特點(diǎn),必須對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組進(jìn)行監(jiān)測(cè),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(wèn)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(cè)量的單體電池電壓存儲(chǔ)在非電容上進(jìn)行測(cè)量

2、。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(lái)測(cè)量串聯(lián)電池組的單體電壓。該方法對(duì)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(cè)系統(tǒng),對(duì)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(cè),當(dāng)單體電池電壓偏離規(guī)定區(qū)間時(shí),監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)風(fēng)扇或加熱控制電路,并存儲(chǔ)有關(guān)數(shù)據(jù),確保電池組 正常工作。整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有連續(xù)測(cè)量分量、簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、精度高和可靠性高的特點(diǎn)。1技

3、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(cè)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(hào)調(diào)理模塊,報(bào)警及處理系統(tǒng)模塊,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)RS485接口與PC機(jī)組成分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC監(jiān)測(cè)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(duì)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(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理,通過(guò)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(guò)串口傳到本地PC機(jī),監(jiān)測(cè)人員可以通過(guò)對(duì)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(duì)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。:Jzj是分1運(yùn)放1亠差分 -ft-運(yùn)放數(shù)字溫度 憑ja芯

4、片電 ttVf)調(diào)1<換整電路電池組選通控制信號(hào)51 單 片 機(jī)一I光報(bào)警I聲音報(bào)警圖1串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2串聯(lián)鋰離子電池組的共地問(wèn)題串聯(lián)鋰離子電池組電壓測(cè)量的方法有多種,最簡(jiǎn)單的是電阻分壓測(cè)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(cè)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(cè)量精度要求高且不考慮漏電流和成本的 場(chǎng)合。設(shè)計(jì)選用德州儀器公司的INA117來(lái)解決串聯(lián)鋰離子電池組的共地問(wèn)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±

5、; 200 V,適合于高精度的測(cè)量。INA117內(nèi)置了 380 k Q、20 k Q和21. 1 k Q3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(lái)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1腳都接相節(jié)電池負(fù)極該檢測(cè)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(lái)。如果它們的同的地,就可以使16個(gè)INA117都有相同的信號(hào)地,A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。共地點(diǎn)選在第8和第9節(jié)電池正極的連接處。40 V.同理,每節(jié)鋰離子電池最高電壓為5 V,由圖3可得,第1個(gè)

6、INA117的3腳的輸入電勢(shì)最高為第16個(gè)INA117的2腳輸入電勢(shì)最低為-40 V.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(kāi)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(kāi)關(guān)選用MUX16為16選1可正負(fù)電壓輸入模擬開(kāi)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(cè)電池組無(wú)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

7、1個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器4。各節(jié)電池輸入的測(cè)量電壓通過(guò)多選一模擬開(kāi)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10 mV.選擇美信公司 MAX1272.MAX1272是具有故障保護(hù)、可通過(guò)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10 V, ± 5 V .內(nèi)部自帶+ 4. 096 V 參考 1所示。信協(xié)議,+ 5 V供電,模擬輸入電壓范圍010 V,05 V,電壓。當(dāng)采用內(nèi)部+ 4. 096 V 參考電壓時(shí),理想情況下模擬電壓輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出,如表表1理想情況下模擬電壓輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出模擬輸入電壓范ff

8、l二込制救字輸出二進(jìn)制故字輸出111 11 mi 11117FF00000 00)0 OOfM)000-0+001 220 7nil till 1 Hlr-FT-4.999 987 21000 0(X)0' 0<XM»800由表1可知,MAX1272輸出的數(shù)字量最高位是符號(hào)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. 096 V 時(shí),1LSB = 1.220 7 mV.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5 mV.INA117精度高,正常A/D轉(zhuǎn)換器。情況下,誤差在1 mV以內(nèi)。因此,使用INA117和MAX12

9、72的組合,可以滿足串聯(lián)鋰離子電池組電池監(jiān) 測(cè)系統(tǒng)在電壓誤差10 mV以下的要求。需要更高的電壓精度,需要選用更高分辨率的MAX1272的線路連接圖如圖4所示。51 I"1)1機(jī)1小MAX (272a © 1)扶r>i'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. 2 gF鉭電容和 0. 1 gF陶瓷電 容。PCB布線時(shí),這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX12721.4溫度監(jiān)測(cè)針對(duì)串聯(lián)電池組,傳統(tǒng)的測(cè)溫方法多采用模擬溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量,在數(shù)據(jù)的采集和傳輸過(guò)程中易受 外界環(huán)境的干擾,從而使測(cè)得的結(jié)果誤差較大,且當(dāng)

10、測(cè)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(lái)解決上述問(wèn)題5.其原理如圖5所示。51 單 片 機(jī)圖5溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)框圖.)GDV|GDVCDVGDVQhInqdNQDNQnUJI1.)J)DSI8DS 18Dm18H2OB20820T,采用外部5V供電,總線上可掛接多片路。測(cè)溫范圍-55+ 125 G測(cè)溫精度:程中,單片機(jī)芯片需對(duì) DS18B20發(fā)命令字,同時(shí)也需要讀取由 器的I /O必須被設(shè)置為具有雙向傳輸數(shù)據(jù)能力。DS18B20,且可以同時(shí)進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換,而無(wú)需外接驅(qū)動(dòng)電在-10+ 85 C范圍內(nèi)的精度為± 0. 5DS18B20采集到

11、的溫度。在溫度采集過(guò) 因此,單片機(jī)控制本檢測(cè)系統(tǒng)每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片同時(shí)檢測(cè) 8點(diǎn)溫DS18B20,設(shè)置8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn),當(dāng)溫度高于10 C時(shí),顯示8個(gè)溫度點(diǎn)中最高的度。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:溫度值;當(dāng)溫度低于10 C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(duì)于電池的散熱問(wèn)題,設(shè)計(jì)了風(fēng)扇控制電路,通過(guò)對(duì)測(cè)量到的電池溫度值進(jìn)行判斷,決定風(fēng)扇的開(kāi)啟 或關(guān)閉。當(dāng)溫度過(guò)高時(shí),單片機(jī)將發(fā)出信號(hào)開(kāi)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(wú)動(dòng)作;當(dāng)FAN為高電平時(shí), 晶體管9014導(dǎo)通,使

12、得繼電器觸點(diǎn)吸合,風(fēng)扇在 24 V電源電壓的供電下開(kāi)始工作。V丄11-C«r路接口圖6風(fēng)扇控制電路對(duì)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(guò)高的情況,還要考慮溫度過(guò)低的情況。因 為電池在溫度過(guò)低的環(huán)境下運(yùn)行時(shí),會(huì)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(huì)與電解液發(fā)生不可逆的反應(yīng)。如果鋰離子電池長(zhǎng)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(cè)系統(tǒng)的性能實(shí)測(cè)證明,使用INA117、16選1模擬開(kāi)關(guān)MUX16 MAX1272 51單片機(jī)和DS18B20的串聯(lián)鋰離子電 池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)16節(jié)3. 7 V鋰離子電池,電壓的測(cè)量誤差完全在 10 mV以內(nèi)。溫度方面,由于DS18B20 精度較高,溫度誤差在 1 C以內(nèi)。電壓和溫度的測(cè)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. 2 V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(wèn)題的電池。當(dāng)串聯(lián)鋰離子電池組任何一節(jié)電池電壓 > 5 V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(cè)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 C時(shí)

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