基于LabVIEW 與DSP的鋰電池組監(jiān)測系統(tǒng)分離電路設(shè)計(jì)

錢永明，張愛輝，馬蘇揚(yáng)，廖 萍

(1.南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通226019；2.南通全技紡織涂層有限公司，江蘇南通226019)

鋰電池是二十世紀(jì)發(fā)展起來的一種二次電池，具有能量密度高、功率密度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。隨著其技術(shù)的發(fā)展，越來越多地被應(yīng)用于動力、儲能等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，為滿足額定電壓，需要將幾節(jié)甚至上百節(jié)鋰電池串聯(lián)起來形成電池組。但由于生產(chǎn)過程中制造誤差的存在，鋰電池組中各單體的內(nèi)部特性難以完全一致，致使鋰電池組充放電時(shí)，某些單體鋰電池出現(xiàn)過充或過放現(xiàn)象，縮短了其使用壽命[2]。目前解決這一問題的方法是在鋰電池組內(nèi)設(shè)置在線監(jiān)測系統(tǒng)。

國外對于鋰電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制已基本成熟，最具代表性的Smart Guard 和BADICHEQ 系統(tǒng)已被應(yīng)用于電動汽車鋰電池組的在線管理當(dāng)中[3]。此外，國外一些廠家推出了許多鋰電池的監(jiān)測與管理芯片，其中美信公司與美國德州儀器(TI)居于領(lǐng)先地位[4]。國內(nèi)對于鋰電池組監(jiān)測系統(tǒng)的研制處于起步階段，清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京中天榮泰科技公司等科研院校與企業(yè)進(jìn)行了相關(guān)的研究工作，取得了初步的成果[5-6]。國外的電池組監(jiān)測系統(tǒng)價(jià)格一般相當(dāng)昂貴，為了研制出價(jià)格合理、監(jiān)測效果好的電池組監(jiān)測系統(tǒng)，提出基于LabVIEW與DSP 鋰電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 鋰電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

圖1 是鋰電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。電池組工作時(shí)，各熱電偶測量出溫度信號，信號通過MAX6675 的轉(zhuǎn)化處理，送入DSP 中處理，DSP 將處理后的溫度信號通過USB-CAN 接口卡送到LabVIEW 中進(jìn)行進(jìn)一步處理并顯示，電池溫度不在合理工作范圍內(nèi)時(shí)，LabVIEW 發(fā)出警報(bào)；收集各單體電池溫度信號的同時(shí)，分離電路分離出單體電池的電壓信號，分離出的電壓信號經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后送入DSP 中進(jìn)行處理，DSP 將初步處理后的電壓信號送入LabVIEW 中進(jìn)行進(jìn)一步處理，顯示各單體電池的電壓、SOC(與電壓存在某種函數(shù)關(guān)系)等參數(shù)，當(dāng)單體電池出現(xiàn)過充或過放時(shí)，LabVIEW 發(fā)出警報(bào)。整個系統(tǒng)中，分離電路是極為關(guān)鍵的一個模塊，監(jiān)測系統(tǒng)的檢測精度及制造成本與分離電路緊密相關(guān)，應(yīng)設(shè)計(jì)出一種分離精度高、價(jià)格適中的分離電路。

圖1 鋰電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)方案圖

2 單體電池電壓分離電路設(shè)計(jì)

2.1 常用電壓分離電路特性分析

電阻分壓式分離電路，電路中電阻的漏電流及電阻的漂移誤差使電路分離出的電壓精度較低；該電路還會使電池組的一致性受到較大影響。采用分離運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的電壓分離電路，是另一種常用的分離電路[7]，該電路分離出的電壓信號精度高，但體積大，并且生產(chǎn)成本高。在設(shè)計(jì)用基于DS2762鋰電池組電量采集裝置的分離電路時(shí)，應(yīng)從分離精度、生產(chǎn)成本兩個方面來考慮。綜合考慮這兩方面的因素設(shè)計(jì)了一種新型的電壓分離電路。

2.2 新型電壓分離電路設(shè)計(jì)

針對DS2762 芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種電路簡單、精度較高的電壓分離電路，圖2 為分離電路的基本原理圖。該電壓分離電路由一個P 型MOSFET 管Q1、一個運(yùn)算放大器A1 及三個電阻組成[7]。

當(dāng)電路工作時(shí)，若運(yùn)算放大器反向輸入端的電壓大于正向輸入端的電壓，則輸出為低電平，從而使MOSFET 管源極和柵極的電壓差大于開啟電壓，開始導(dǎo)通；R3 會分去運(yùn)算放大器的反向輸入端的一部分電壓，這樣運(yùn)算放大器的正向輸入端會大于其反向輸入端，因而輸出電壓上升，平衡后，運(yùn)算放大器的反向輸入端的電壓和正向輸入的電壓相等，即達(dá)到電壓分離的目的。

2.3 最優(yōu)電阻選擇

圖2 所示的電壓分離電路中，R1 的大小對電壓分離電路的分離精度影響較小，A1、Q1 確定后分離電路的分離精度的高低主要取決于R2 與R3 的阻值(其中R2=R3)。當(dāng)R2、R3 的阻值過小時(shí)電路的分離精度較低，阻值過大時(shí)功耗太大且分離精度很低，因而存在較優(yōu)的阻值。為了使電量采集裝置的采集精度較高，應(yīng)使R2、R3 處于最優(yōu)值。

圖2 單體鋰電池電壓分離電路原理圖

基于Proteus 軟件選R2、R3 的最優(yōu)值，具體步驟如下：(1)選定R1=20 kΩ(E-96 系列電阻)、A1 的型號為LM324(用其上面的一些引腳)、Q1 的型號為PMOSFET;(2)在Proteus 軟件中畫出分離電路的電路圖;(3)不斷改變R2、R3 阻值的大小仿真分離出的電壓大小。R2、R3 的阻值太小時(shí)電路的分離精度較低，電阻太大時(shí)功耗太大。綜合這些因素，從R2、R3=1 kΩ 時(shí)開始對電路的分離精度進(jìn)行仿真，當(dāng)R2=R3=8.06 kΩ 時(shí)停止對電路的仿真(取這個范圍內(nèi)的每一個阻值)。

一般情況下鋰電池的充電截止電壓是4.2 V，工作電壓是3.7 V，放電截止電壓是3.0 V，主要仿真在這三種工作狀態(tài)下電壓分離電路的分離精度。圖3～5 分別為電池電壓為4.2、3.7、3.0 V 時(shí)阻值不同時(shí)的仿真誤差圖，橫坐標(biāo)表示的是阻值，縱坐標(biāo)表示的是仿真誤差。仿真誤差由式(1)給出的公式算出，這里的仿真誤差指的是分離得出的電壓值的相對誤差的絕對值。

圖3 充電截止?fàn)顟B(tài)（4.2V）時(shí)電壓分離電路的仿真誤差圖

圖4 正常工作狀態(tài)（3.7V）時(shí)電壓分離電路的仿真誤差圖

圖5 放電截止?fàn)顟B(tài)（3.7V）時(shí)電壓分離電路的仿真誤差圖

由圖3～5 可以得出：(1)仿真誤差隨著電阻的增大先減小，減小到最小值后，仿真誤差又會隨著電阻的增大而增大；(2)由圖3～5，可知：R2、R3 的阻值在3 kΩ 左右時(shí)，電路在各種狀態(tài)下的分離誤差均達(dá)到較小的水平；(3)R2、R3=3.16 kΩ 時(shí)分離電路的分離誤差能控制在0%～0.4%內(nèi)，達(dá)到了比較理想的分離精度，為設(shè)計(jì)電池組的電壓分離電路提供了電阻參考值。

3 鋰電池組電壓分離電路的設(shè)計(jì)及仿真

3.1 鋰電池組的電壓分離電路設(shè)計(jì)

6 節(jié)鋰電池組串聯(lián)獲得的電池組在實(shí)際的應(yīng)用場合應(yīng)用較多，下面以分離6 節(jié)電池組的分離電路為例，介紹鋰電池組電壓分離電路的設(shè)計(jì)及仿真。圖6 為電池組電壓分離電路的原理圖。

圖6 六節(jié)鋰電池組成的鋰電池組的電壓分離電路原理圖

為了提高電路的穩(wěn)定性，采用LM324(四集成運(yùn)放集成電路)來設(shè)計(jì)分離電路；為了降低電路的復(fù)雜程度，第二節(jié)鋰電池的電壓用電阻分壓的方式來分離，Q1～Q4 為P 型MOSFET管。電路中R9、R10=100 kΩ，R13=787 Ω，其它電阻的大小均為3.16 kΩ。電池組分離電路的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)為圖2 所示的單體鋰電池電壓分離電路，以此為基礎(chǔ)理論上可設(shè)計(jì)任意節(jié)經(jīng)串聯(lián)而成的電池組的分離電路。

3.2 鋰電池組分離電路的仿真

基于Proteus 軟件對電路進(jìn)行仿真，假定各單體電池處于電截止?fàn)顟B(tài)(4.2 V)、工作狀態(tài)(3.7 V)或放電截止?fàn)顟B(tài)(3.0 V)。表1、表2、表3 為仿真結(jié)果及仿真的數(shù)據(jù)處理。這里的仿真誤差由式(1)所表示的公式算出。

表1 充電截止?fàn)顟B(tài)（4.2 V）鋰電池組電壓分離電路仿真數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

表2 正常工作狀態(tài)（3.7 V）鋰電池組電壓分離電路仿真數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

表3 放電截止?fàn)顟B(tài)（3.0 V）鋰電池組電壓分離電路仿真數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

由表1 知：5 號鋰電池兩端的電壓經(jīng)分離電路分離后，相對誤差絕對值達(dá)最大，為0.378 6%；由表2 知：5 號鋰電池兩端的電壓經(jīng)分離電路分離后，相對誤差絕對值最大，為0.378 4%；由表3 知：5 號鋰電池兩端的電壓經(jīng)分離電路分離后，相對誤差絕對值最大，為0.380 0%。通過分析表1～3，發(fā)現(xiàn)5 號電池兩端電壓在3 種情況下分離，所得的相對誤差絕對值均為最大，但均在0.4%內(nèi)，達(dá)到了較高的分離精度。

實(shí)際應(yīng)用中，由于單體電池內(nèi)部特性不同，各節(jié)電池電壓的大小會有微小差異。在電池組三種工作狀態(tài)各電池的電壓大小有差異時(shí)，運(yùn)用Proteus 軟件對電池組的電壓分離電路進(jìn)行仿真，仿真電池組充電截止、正常放電、放電截止三個狀態(tài)。表4～6 為仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)處理。這里的仿真誤差由式(2)所示的公式算出，這里的仿真誤差指的是分離電路分離出的電壓的相對誤差值。

由表4 知：2 號鋰電池兩端的電壓經(jīng)分離電路分離后，相對誤差達(dá)最大，為0.119 3%；由表5 知：2 號鋰電池兩端的電壓經(jīng)分離電路分離后，相對誤差絕對值最大，為0.276 2%；由表6知：2 號鋰電池兩端的電壓經(jīng)分離電路分離后，相對誤差絕對值最大，為0.327 9%。通過分析表4～6，發(fā)現(xiàn)2 號電池兩端電壓在3 種情況下分離，所得的相對誤差絕對值均為最大，但均在0.4%內(nèi)，達(dá)到了較高的分離精度。綜合分析表1～6，可知，分離電路在工作過程中，對于某節(jié)特定的電池電壓分離的相對誤差較大，電池之間沒有差異時(shí)5 號電池電壓分離效果較其它電池的分離效果差，電池之間有差異時(shí)，2 號電池電壓分離效果較其它電池的分離效果差?？紤]到實(shí)際工作時(shí)，電池間存在差異，為了使電路分離精度更高，需考慮補(bǔ)償分離誤差較大的電路部分。

表4 鋰電池組電壓分離電路充電截止?fàn)顟B(tài)仿真數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

表5 鋰電池組電壓分離電路正常工作狀態(tài)仿真數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

表6 鋰電池組電壓分離電路放電截止?fàn)顟B(tài)仿真數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

4 總結(jié)

設(shè)計(jì)的單體電池電壓分離電路簡單、分離精度高且制造成本較低，為電池組的分離電路的設(shè)計(jì)提供了思路；單體電池電路的仿真為電池組電壓分離電路的設(shè)計(jì)提夠了初始的元器件型號；以單體分壓電路為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用較為廣泛的六節(jié)鋰電池組分離電路，經(jīng)仿真，達(dá)到了較高的精度。經(jīng)仿真該分離電路分離精度高，并且其制造成本低，可用于基于LabVIEW與DSP 的鋰電池組在線監(jiān)測系統(tǒng)中。該分離電路還可以用于串聯(lián)電池組各單體電池電壓值的測量；用作基于其它主控系統(tǒng)的電池組監(jiān)測系統(tǒng)的分離電路。

考慮到實(shí)際應(yīng)用中，電路會受到各種因素的干擾，分離電路的分離精度會有所降低，但可以通過各種補(bǔ)償手段使分離電路的分離精度達(dá)到理想的結(jié)果，因而該電路具有得到廣泛應(yīng)用的可能性。

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