一種電池組電壓檢測(cè)電路及管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

劉蘭蘭 張遠(yuǎn)念 羅念 鄧祥龍

摘? 要：本設(shè)計(jì)特別創(chuàng)新地提出了一種電池組電壓檢測(cè)電路及電池組管理系統(tǒng)，提供了一種電池組電壓檢測(cè)電路，包括由多節(jié)單電池串聯(lián)的電池組，還包括選通切換電路、方向控制電路、電壓檢測(cè)電路、A/D轉(zhuǎn)換隔離電路以及控制器。該電池組管理系統(tǒng)除具有電池組電壓檢測(cè)電路的有益效果外，還具有電流檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組溫度的功能。本設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)省了器件成本，提高了檢測(cè)精度。

關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換;選通切換;電壓檢測(cè);方向控制電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TM912;TN710.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）09-0032-04

0? 引? 言

鋰電池具有電壓高、能量密度大、循環(huán)性能好、自放電小、無(wú)記憶效應(yīng)等突出優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛[1，2]，但由于鋰電池電壓一般只有3.6V左右，在大多數(shù)應(yīng)用中，為了提高電池使用效率、配合使用時(shí)所需的功率等目的，需要把多節(jié)鋰電池串聯(lián)組成電池組，以提高使用時(shí)的電壓，而在對(duì)串聯(lián)電池組的多節(jié)電池進(jìn)行均衡充放電等情況下，需要分別檢測(cè)各節(jié)電池兩端的電壓。為檢測(cè)電池組中各節(jié)電池兩端的電壓，存在現(xiàn)有技術(shù)：分別檢測(cè)電池的各端口對(duì)地或?qū)鶞?zhǔn)端的電壓，再根據(jù)檢測(cè)出的電壓分別計(jì)算每節(jié)電池兩端的電壓。但由于上述現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)需要設(shè)置計(jì)算單元以用于根據(jù)檢測(cè)出的電壓計(jì)算每節(jié)電池兩端的電壓，因而電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

現(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)號(hào)為CN102331561B的中國(guó)專(zhuān)利披露了一種電池電壓檢測(cè)電路及電池管理系統(tǒng)，該發(fā)明雖然僅通過(guò)兩個(gè)運(yùn)算放大器單元奇偶交錯(cuò)，對(duì)待測(cè)電池采樣，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，減小電池的耗電差異，并增加開(kāi)關(guān)控制，進(jìn)一步降低待機(jī)時(shí)的功耗[3]。但該發(fā)明還是需要兩路電壓運(yùn)算放大器分別檢測(cè)奇數(shù)節(jié)的單體電池電壓和偶數(shù)節(jié)的單體電池電壓，不能實(shí)現(xiàn)只用一個(gè)電壓運(yùn)算放大器檢測(cè)所有單節(jié)電池的電壓，還需要做進(jìn)一步的改進(jìn)。

1? 研究?jī)?nèi)容

本系統(tǒng)主要由多節(jié)單電池串聯(lián)的電池組、選通切換電路、方向控制電路、電壓檢測(cè)電路和控制電路組成。通過(guò)電池組提供的電源經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換給系統(tǒng)供電，由選通切換電路將電池組的每節(jié)單電池的電壓依次送往電壓檢測(cè)電路，由于需要依次檢測(cè)每節(jié)單電芯的電壓，通過(guò)方向控制電路實(shí)現(xiàn)。每節(jié)單電芯的電壓被送到電壓檢測(cè)電路，通過(guò)三級(jí)運(yùn)放調(diào)理后滿(mǎn)足單片機(jī)A/D檢測(cè)口對(duì)檢測(cè)信號(hào)的要求，處理之后的信號(hào)經(jīng)線(xiàn)性光耦隔離再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的I/O口。

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1? 選通切換電路

譯碼器（74HC138）的每一路輸出用來(lái)控制相鄰的兩個(gè)光耦繼電器（U1、U3）原端導(dǎo)通（光耦繼電器為雙封裝），從而將單節(jié)電池的兩端電壓分別送到VIN1和VIN2，其中VIN1為所有單數(shù)光耦繼電器的輸出，VIN2為所有雙數(shù)光耦繼電器的輸出。設(shè)置片選信號(hào)使譯碼器使能，這樣就能使每組電壓依次送往電壓檢測(cè)電路。譯碼器每個(gè)輸出端對(duì)應(yīng)控制電池組中的一節(jié)單電池正負(fù)極的接通和斷開(kāi)，簡(jiǎn)化了控制原理，只需使譯碼器的多個(gè)輸出端依次為低電平，就可以依次檢測(cè)到電池組中的單節(jié)電池電壓，控制原理簡(jiǎn)單，易操作。

采用光耦繼電器，能夠讓電池組部分與電壓檢測(cè)電路隔離，保護(hù)控制器，同時(shí)不影響測(cè)量精度。

選通切換電路原理圖如圖2所示。

1.2? 方向控制電路

由于需要依次檢測(cè)每節(jié)單電芯的端電壓，每當(dāng)切到下一路時(shí)，原來(lái)送往檢測(cè)電路正輸入端的信號(hào)便需要送往檢測(cè)電路的參考地端，因此通過(guò)四個(gè)光耦繼電器來(lái)倒換方向。

當(dāng)A0為低電平且Y0被選通時(shí)，上面兩個(gè)光耦繼電器原邊不導(dǎo)通，而只有下面兩個(gè)光耦繼電器的原邊導(dǎo)通，這樣VIN1被送到GND2（檢測(cè)電路的參考地端），VIN2被送到VIN（檢測(cè)電路的正輸入端）。

當(dāng)A0為高電平且Y1被選通時(shí)，則上面兩個(gè)光耦繼電器原邊導(dǎo)通，而下面兩個(gè)光耦繼電器的原邊不導(dǎo)通，這樣VIN1被送到VIN（檢測(cè)電路的正輸入端），VIN2被送到GND2（檢測(cè)電路的參考地端）。

通過(guò)四個(gè)光耦繼電器的配合，能夠?qū)崿F(xiàn)奇數(shù)節(jié)電池正極和偶數(shù)節(jié)電池正極與后級(jí)電路連接的交叉變換，將兩者間電平較低者與控制器的地連接，電平較高者與控制器的A/D采集端連接，實(shí)現(xiàn)了電池正負(fù)極兩端電壓的差分運(yùn)算。方向變換電路根據(jù)測(cè)試的單電池的序列數(shù)的奇偶性對(duì)輸入控制器的地和控制器的A/D采集端的信號(hào)作交叉變換，使控制器A/D采集端采集的電壓值為單電池正極與負(fù)極的正電壓差。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要差分運(yùn)放，控制方便，極大地節(jié)省了器件成本。

方向控制電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示。

1.3? 電壓檢測(cè)和信號(hào)調(diào)理電路

電壓檢測(cè)和信號(hào)調(diào)理電路原理圖如圖4所示。

選通切換電路和方向控制電路每次將單節(jié)電芯的正端電壓送到VIN，而將負(fù)端電壓送到GND2。經(jīng)過(guò)第一級(jí)運(yùn)放A1對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行射隨處理，第二級(jí)運(yùn)放A2做二分壓后再射隨處理，利用第三運(yùn)算放大器A3構(gòu)成有源濾波器，對(duì)第二級(jí)運(yùn)算放大器輸出電壓進(jìn)行濾波處理，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理的信號(hào)，其信號(hào)幅值與控制器的A/D采集端輸入范圍匹配，并且濾除了干擾，提高了測(cè)量精度。

1.4? 隔離電路

單節(jié)電池電壓檢測(cè)電路處理之后的信號(hào)經(jīng)線(xiàn)性光耦隔離再送至單片機(jī)的A/D接口，通過(guò)光耦隔離來(lái)保護(hù)控制器。

隔離電路原理圖如圖5所示。

1.5? 均衡控制電路

電池組管理系統(tǒng)，還包括多個(gè)并連連接在每節(jié)單電池正極和負(fù)極的均衡控制電路[4]。均衡控制電路包括MOS管T2、電阻R13和均衡芯片（S-8211）U1。充電過(guò)程中，對(duì)各個(gè)電芯電壓進(jìn)行巡檢，當(dāng)有電芯電壓超過(guò)充電保護(hù)值時(shí)（設(shè)置均衡啟動(dòng)點(diǎn)為3.6V，偏差為大于25mV時(shí)），MOS管導(dǎo)通并啟動(dòng)旁路電阻進(jìn)行分流（700mA），使得過(guò)壓電芯與其他電芯電壓一致，電壓低至關(guān)閉值時(shí)，均衡功能關(guān)閉。

通過(guò)均衡電路能夠?qū)Ω鞴?jié)單電池均衡充電，提高一致性，延長(zhǎng)電池組的壽命。

均衡控制電路安裝示意圖和均衡控制電路原理圖分別如圖6、圖7所示。

1.6? 電流檢測(cè)電路

電池組管理系統(tǒng)，還包括電流檢測(cè)電路。電流檢測(cè)電路包括串連連接在電池組放電和充電回路中的分流器和差分放大器。由于存在充電和放電兩個(gè)過(guò)程，所以采用兩個(gè)單向的高共模運(yùn)放，運(yùn)放U12檢測(cè)放電時(shí)電流，運(yùn)放U13檢測(cè)充電時(shí)電流。高共模運(yùn)放將分流器兩端的電壓變換為0～2.5V的電壓，再經(jīng)RC濾波進(jìn)入單片機(jī)的A/D接口。

通過(guò)電流檢測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的放電或充電電流，有利于保護(hù)電池組，避免過(guò)充和過(guò)放造成電池的損壞。

電流檢測(cè)電路原理圖如圖8所示。

1.7? 溫度檢測(cè)電路

電池組電壓檢測(cè)電路，還包括溫度檢測(cè)電路。溫度檢測(cè)電路包括靠近電池組或者在電池組表面設(shè)置的熱電偶RT和電阻R15。通過(guò)溫度檢測(cè)電路，該電池組管理系統(tǒng)除具有電池組電壓檢測(cè)電路的有益效果外，還具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組的溫度的功能，能夠?qū)﹄姵亟M進(jìn)行保護(hù)，避免高溫?fù)p壞。

溫度檢測(cè)電路原理圖如圖9所示。

2? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)提供的一種電池組電壓檢測(cè)電路及電池組管理系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)測(cè)量電池組每節(jié)單電芯的電壓。該技術(shù)方案采用方向控制電路獲取奇數(shù)節(jié)單電池和偶數(shù)節(jié)單電池的正負(fù)極電壓差，極大地簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，節(jié)省了器件成本，每個(gè)單電池的正負(fù)極電壓差通過(guò)的電路一致，后續(xù)被控制器的同一個(gè)A/D管腳采集，提高了檢測(cè)精度。

該電池組管理系統(tǒng)不僅能夠有效檢測(cè)電池組電壓，還能檢測(cè)電流和實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的溫度。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，器件成本低，檢測(cè)精度高，還能夠?qū)﹄姵亟M進(jìn)行保護(hù)，避免過(guò)充或過(guò)放以及溫度過(guò)高造成電池組的損壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張世超.鋰離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn) [J].新材料產(chǎn)業(yè)，2004（1）：46-52.

[2] 姜久春.電池管理系統(tǒng)的概況和發(fā)展趨勢(shì) [J].新材料產(chǎn)業(yè)，2007（8）：40-43.

[3] 張彩輝，侯濤，巨祥生.一種電池電壓檢測(cè)電路及電池管理系統(tǒng)：CN202256636U [P].2012-05-30.

[4] 廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等.電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) [J].汽車(chē)工程，2006（10）：961-964.

作者簡(jiǎn)介：劉蘭蘭（1995-），女，漢族，湖北廣水人，學(xué)士學(xué)位，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。