串联电池电压及温度测量方法研究.pdf

T e c h n o l o g y A p p l i c a t i o n 与应用 串联电池电压及矿， 、温度剥量：强1 霸糖 摘要：电池是电动车的能量之源，其性能和使用寿命是用户关注的焦点，电池性能和电池的电压及温度密 切相关。本文提出了一种由移位寄存阵控制光电继电器通断的单体电池电压测量方法。相对于其他测量方 法，具有结构简洁明了，安装方便等优点。 关键字：串联电池；电压；温度；移位寄存阵 中图分类号：T P 2 1 2 1文献标识码：A 文章编号：1 0 0 6 8 8 3 X ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 2 4 0 4 一、引言 在提倡节能减排的时代背景下，新能源的研究正成为公众关注的焦点，以电为动力的电动车就是研究的 热点之一。电池是电动车的能量之源，为确保电池组性能良好并延长其使用寿命，需要对电池组进行管理和 控制，其前提是必须准确而又可靠的获得电池现存的容量参数。电池的电压及温度是和电池容量密切相关的 两个参数，因此精确采集单体电池电压及温度是十分重要的。 二、常用测量方法分析 1 、单体电池电压测量方法分析 串联电池组单体电池电压的测量方法有很多，比较常见的有机械继电器法隔离检测、差分放大器法隔离 检测、电压分压法隔离检测、光电继电器法等。机械继电器法可直接测量每个单体的电压，但是机械继电器 使用寿命有限、动作速度慢，不宜使用在长期快速巡检过程中。差分放大器隔离法的测量误差基本上由隔离 放大器的误差所决定，但是由于每一路的测量成本比较高，因此在经济性上略显不足。电压分压法的响应速 度快、测量的成本低，但是其缺点是不能很好的调节分压比例，测量精度也不能令人满意【l l 。光电继电器隔离 法的响应速度快，工作寿命长，测量的成本相对较低，开关无触点，能够起到电压隔离的作用，若选用的光 电继电器采取P h o t o M O S 技术，则能达到较高的测量精度，所以光电继电器隔离法是比较理想的单体电池电 压测量方法。本文的单体电池电压测量方法就是基于光电继电器隔离法实现的。 光电继电器的通断控制策略是光电继电器隔离法要解决的重要问题。常用的光电继电器的通断控制方法 有：I O 直接控制、译码器控制、模拟开关控制等。I O 直接控制方法简单，容易实现，但是需要占用大量的 I O 资源。译码器控制和模拟开关控制的思想类似，即用数量少的I O 去控制数量多的光电继电器，这两种方 法减少了I O 口的占用。采用I O 直接控制、译码器控制和模拟开关控制都需要将通断控制电路、A D 转换电 路及处理器设计在同一个模块即采样模块上，这样的话单体电池的两个电极就需引线到采样模块上，整个电 池组来讲就会有大量的导线连到采样模块，造成安装的繁琐和电气走线的复杂性。对单体电池电压的测量， 应着重解决三个问题：使用现场与测量系统的电气隔离、降低成本和简化设计方案、提高系统精度。I O 直接 控制、译码器控制和模拟开关控制这三种光电继电器的通断控制方法在设计的简洁性方面就显得不足。 传感器世界2 0 1 1 0 3 v M v s e n s o r w o r l d G o m c n 黔 高琛 万方数据 T e c h n o l o g y & A p p l i c a t i o n 本文提出一种由移位寄存阵控制光电继电器通断的光电 继电器隔离单体电池电压测量方法。该方法将光电继电器通 断控制电路直接设计安装在电池上，之间的走线用排线串联 起来即可，使设计方案得到了很大的简化，安装方便，电气 走线简洁明了。 2 、单体电池温度测量方法分析 电池温度对电池的容量、电压、内阻、充放电效率、使 用寿命、安全性和电池一致性等方面都有较大的影响，所以 电池在使用中必须进行温度监测。 目前单体电池温度的测量一般采用热敏电阻作为温度传 感器，采用分压法由A D 采样读取热敏电阻的端电压，根据 电阻一温度关系可计算出温度值。将热敏电阻安装在每个电 池上，分时将不同电池上的热敏电阻接到A D 采样电路上进 行温度采样，实现单体电池温度的巡检。采用在热敏电阻测 量温度，其测量精度为士1 0 C ，误差较大。同时 有时由于制造工艺原因，热敏电阻个体的温度特 性不是很一致，由此造成温度测量校准的困难。 进行多点温度巡检时，同样要解决分时通道选通 问题，所以同样就需要考虑设计简洁性问题。 本文基于移位寄存阵控制通道选通的思想， 提出了一种采用数字温度传感器进行同时启动分 时读取数据的多点温度采样方法。采用该方法采 样精度较高，采样速度快，安装简洁方便。 三、测量原理和电路 1 、单体电池电压测量原理 本文作者曾经基于光电继电器隔离法设计了 一套电池管理系统，单体电池电压的测鼍是采用 分时测量的方法。串联电池组中各个电池的两端 通过光电继电器隔离，然后统一连接到检测总线 上。按照一定的时间策略控制光电继电器的通断， 可控制单体电池在不同的时间段单独将电压施加 在检测总线上，从而实现单体电池电压的分时检 测。该方法的巡检周期短，测量精度高。但是控 制光电继电器的通断需要占用大量的 O 资源， 这就限制了电池管理系统可管理电池的数量。同 时在电池管理系统的实际安装时，由于电池两端 需要引线到采集模块，所以就会有比较多的走线， 导致电池管理系统安装的不方便及电动车电气走 线的复杂性。本文为了改善以上的不足，提出 种新的光电继电器控制策略。光电继电器与串联 电池组的连接方式如图l 所示。 图l 中，E l ，E 2 ，E 。表示的是电池组，双刀开关 K - ，K 2 ，K 表示的是光电继电器组。在不同的时间分别单 独导通K I ，K 2 ，k ，即可实现单体电池E 1 ，E 2 ，E 。的电 压测量。光电继电器组的通断是由D 触发器串联而成的移位 寄存阵控制，只需两个 J O 口分别提供时钟信号( C L K ) 和 数据信号( D ) 即可工作，大大减少了I O 资源的占用。实际 设计时，一个D 触发器和一对光电继电器构成选通模块，一 个电池对应一个选通模块，所以直接将选通模块安装在电池 上，选通模块之间用排线串联起来构成由移位寄存阵控制的 选通电路。选通电路与电压采集电路之间也用排线连接，需 要的线数量很少，所以电池管理系统安装方便，电气走线简 洁明了。 2 、单体电池温度测量原理 2 0 11 0 3S e n s o r W o d d w w w s e n s o r w o d d c o m 万方数据 T e c h n o l o g y A p p l i c a t i o n 与应用 电池温度的测量采用D A L L A S 公司的D S l 8 8 2 0 温度传 感器。D S l 8 8 2 0 采用单总线技术，测温范围5 5 0 C + 1 2 5 0 C ， 全数字温度转转换及输出，支持多点组网功能，实现多点温 度采样。需要说明的是，采用D S l 8 8 2 0 多点组网功能也可以 实现单体电池温度采样，但是多点采样时需要识别每个 D S l 8 8 2 0 独有的R O M 码，影响采样速度，同时无法将R O M 码同器件的实际物理位置关联起来，所以多点组网功能不适 合单体电池温度的巡检。基于由D 触发器构成的移位寄存阵 所具有的通道选通功能，本文提出一种同时启动，分时读取 数据的D S l 8 8 2 0 多点温度采样方法。该种方法中D S l 8 8 2 0 的采样启动和数据读取都是跳过R O M 码校验进行的。 D S l 8 8 2 0 的连接方式如图2 所示。 图中K l ，K 2 ，K 表示的是光电继电器，其通断情况同 样由移位寄存阵控制。一开始K l ，K 2 ，K 全部闭合，M C U 向所有D S l 8 8 2 0 发送采样启动命令，启动命令发送完后断开 所有光电继电器，然后逐个闭合K l ，K 2 ，K ，读取相应传 感器的温度数据，实现分时读取数据。采用同时启动分时读 取数据的多点温度采样方法，其所用时间仅比单点温度采样 所用的时间多了数据读取的时间，所以其采样速度比较快。 3 、移位寄存阵原理 移位寄存阵是由D 触发器串联构成的，它与光电继电器 一起构成选通电路。图3 中，D l ，D 2 ，D 。表示的是D 触发 器，每个D 触发器的输出Q 是下一个D 触发器的数据信号， 所有的D 触发器由相同的时钟信号控制。D 触发器的反码输 出百用来控制对应的光电继电器的通断，当石为高电平时光 电继电器断开，当石为低电平时光电继电器导通。通过控制 第一个D 触发器的数据信号，可实现D l ，D 2 ，D 。的Q 逐个 输出低电平即移位功能，从而控制光电继电器K l ，K 2 ，K 按顺序的逐个单独闭合，实现通道选通功能。 移位寄存阵的工作时序图如图4 所示。其中，C L K 是时 钟信号，D 为移位寄存阵中第一个D 触发器的数据信号，Ql ， Q2 Q 。为D 触发器D l ，D 2 ，D 。的反码输出。本文选 传感器世界2 0 1 1 0 3 W w w , s e n t m r w o r i d c o r n 取的D 触发器是上升沿触发工作。在时钟信号的第一个上升 沿时，将D 置高电平，第一个D 触发器的输出Q l 在时钟信 号的第一个上升沿和第二个上升沿的时间段内是高电平，石， 为低电平。接下来一直将D 置为电平，每次时钟信号的上升 沿到来的时候，D 触发器的输出Q 的高电平状态就会依次传 给下一个D 触发器，即移位寄存阵的D 触发器的Q 端依次 在不同的时间段单独输出高电平，从而奄，砭：，百。依 次输出低电平。在QI ，Q2 Q 。的控制下，光电继电器 K l ，K 2 ，k 依次闭合。 四、测量程序设计 测量程序采用C 语言按照模块化方法进行编写，分为通 道选择、A D 采样和温度采样三个模块。在进行电池管理系 统设计时，可方便得将这三个模块移植到电池管理系统的系 统程序中，为电池管理系统提供电压和温度数据。测量程序 的流程图如图5 所示。 五、实验结果及分析 取一个电动摩托车的动力锂电池进行实验，电池的容量为 4 0 A H 。实验过程中，对电池进行0 1 5 C ( 6 A ) 放电，实时监 测电池的电压和温度。在电池电压从3 9 V 降到2 7 V 的过程 中，每隔4 0 m V 读取一次测量值。同时用五位半电压表和高 精度的温度计进行电压和温度的测量，测量的值就视为实际 初始化 同时启动所有D S l8 8 2 0 采样 设置电池数B A TN O = n 数据信号D 置I C L K 产生上升沿 聚集电池电压和读取D S l 8 8 2 0 数据 N 数据信号D 置0 图5 测量程序流程图 霉 万方数据 T e c h n o l o g y & A p p l i c a t i o n 电压和实际温度。实验结果如表1 实验结果 表1 所示。编实际 测鼍 实际1 测量 编”实际。测量”“。实际 测量噌 实验结果显示电压测量的 号 电压电压温度 温度号电压电压温度温度 平均误差小于1 0 m v ，温度测 ( m V ) ( m V ) ( )( )( m V )( m V )( ) ( ) 1 3 9 0 03 9 0 62 3 1 62 3 2 3 1 63 3 0 03 3 0 5 2 8 6 72 8 7 5 量的平均误差小于0 1 ，由此 2 3 8 6 03 8 5 32 5 2 0 2 5 1 51 73 2 6 03 2 6 42 8 5 6 2 8 6 2 可见本文提出的方法可较准确 + 33 8 2 0 3 8 1 5 2 8 8 92 8 8 01 83 2 2 03 2 1 72 8 5 22 8 5 5 的测量单体电池的电压及温43 7 8 03 7 8 72 8 9 02 8 8 51 93 1 8 03 1 7 52 8 6 22 8 6 7 度。 53 7 4 03 7 4 32 8 8 52 8 7 82 03 1 4