- 探究串聯電池電壓及溫度測量方法研究
- 采用數字溫度傳感器進行溫度采樣方法
- 采用單體電池電壓及溫度測量方法
一、引言
在提倡節能減排的時代背景下，新能源的研究正成為公眾關注的焦點，以電為動力的電動車就是研究的熱點之一。電池是電動車的能量之源，為確保電池組性能良好并延長其使用壽命，需要對電池組進行管理和控制，其前提是必須準確而又可靠的獲得電池現存的容量參數。電池的電壓及溫度是和電池容量密切相關的兩個參數，因此精確采集單體電池電壓及溫度是十分重要的。
二、常用測量方法分析
1、單體電池電壓測量方法分析
串聯電池組單體電池電壓的測量方法有很多，比較常見的有機械繼電器法隔離檢測、差分放大器法隔離檢測、電壓分壓法隔離檢測、光電繼電器法等。機械繼電器法可直接測量每個單體的電壓，但是機械繼電器使用壽命有限、動作速度慢，不宜使用在長期快速巡檢過程中。差分放大器隔離法的測量誤差基本上由隔離放大器的誤差所決定，但是由于每一路的測量成本比較高，因此在經濟性上略顯不足。電壓分壓法的響應速度快、測量的成本低，但是其缺點是不能很好的調節分壓比例，測量精度也不能令人滿意。
法的響應速度快，工作壽命長，測量的成本相對較低，開關無觸點，能夠起到電壓隔離的作用，若選用的光電繼電器采取PhotoMOS 技術，則能達到較高的測量精度，所以光電繼電器隔離法是比較理想的單體電池電壓測量方法。本文的單體電池電壓測量方法就是基于光電繼電器隔離法實現的。
光電繼電器的通斷控制策略是光電繼電器隔離法要解決的重要問題。常用的光電繼電器的通斷控制方法有：I/O 直接控制、譯碼器控制、模擬開關控制等。I/O 直接控制方法簡單，容易實現，但是需要占用大量的I/O 資源。譯碼器控制和模擬開關控制的思想類似，即用數量少的I/O 去控制數量多的光電繼電器，這兩種方法減少了I/O 口的占用。采用I/O 直接控制、譯碼器控制和模擬開關控制都需要將通斷控制電路、A/D 轉換電路及處理器設計在同一個模塊即采樣模塊上，這樣的話單體電池的兩個電極就需引線到采樣模塊上，整個電池組來講就會有大量的導線連到采樣模塊，造成安裝的繁瑣和電氣走線的復雜性。對單體電池電壓的測量，應著重解決三個問題：使用現場與測量系統的電氣隔離、降低成本和簡化設計方案、提高系統精度。I/O 直接控制、譯碼器控制和模擬開關控制這三種光電繼電器的通斷控制方法在設計的簡潔性方面就顯得不足。
本文提出一種由移位寄存陣控制光電繼電器通斷的光電繼電器隔離單體電池電壓測量方法。該方法將光電繼電器通斷控制電路直接設計安裝在電池上，之間的走線用排線串聯起來即可，使設計方案得到了很大的簡化，安裝方便，電氣走線簡潔明了。
2、單體電池溫度測量方法分析
電池溫度對電池的容量、電壓、內阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方面都有較大的影響，所以電池在使用中必須進行溫度監測。
目前單體電池溫度的測量一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A/D 采樣讀取熱敏電阻的端電壓，根據電阻—溫度關系可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個電池上，分時將不同電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進行溫度采樣，實現單體電池溫度的巡檢。采用在熱敏電阻測量溫度，其測量精度為±1.0℃，誤差較大。同時有時由于制造工藝原因，熱敏電阻個體的溫度特性不是很一致，由此造成溫度測量校準的困難。進行多點溫度巡檢時，同樣要解決分時通道選通問題，所以同樣就需要考慮設計簡潔性問題。
本文基于移位寄存陣控制通道選通的思想，提出了一種采用數字溫度傳感器進行同時啟動分時讀取數據的多點溫度采樣方法。采用該方法采樣精度較高，采樣速度快，安裝簡潔方便。
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三、測量原理和電路
1、單體電池電壓測量原理
本文作者曾經基于光電繼電器隔離法設計了一套電池管理系統，單體電池電壓的測量是采用分時測量的方法。串聯電池組中各個電池的兩端通過光電繼電器隔離，然后統一連接到檢測總線上。按照一定的時間策略控制光電繼電器的通斷，可控制單體電池在不同的時間段單獨將電壓施加在檢測總線上，從而實現單體電池電壓的分時檢測。該方法的巡檢周期短，測量精度高。但是控制光電繼電器的通斷需要占用大量的I/O 資源，這就限制了電池管理系統可管理電池的數量。同時在電池管理系統的實際安裝時，由于電池兩端需要引線到采集模塊，所以就會有比較多的走線，導致電池管理系統安裝的不方便及電動車電氣走線的復雜性。本文為了改善以上的不足，提出一種新的光電繼電器控制策略。光電繼電器與串聯電池組的連接方式如圖1 所示。
電池溫度的測量采用DALLAS 公司的DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 采用單總線技術，測溫范圍-55°C~+125°C，全數字溫度轉轉換及輸出，支持多點組網功能，實現多點溫
度采樣。需要說明的是，采用DS18B20 多點組網功能也可以實現單體電池溫度采樣，但是多點采樣時需要識別每個DS18B20 獨有的ROM 碼，影響采樣速度，同時無法將ROM碼同器件的實際物理位置關聯起來，所以多點組網功能不適合單體電池溫度的巡檢。基于由D 觸發器構成的移位寄存陣所具有的通道選通功能，本文提出一種同時啟動，分時讀取數據的DS18B20 多點溫度采樣方法。該種方法中DS18B20的采樣啟動和數據讀取都是跳過ROM 碼校驗進行的。DS18B20 的連接方式如圖2 所示。
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3、移位寄存陣原理
移位寄存陣是由D 觸發器串聯構成的，它與光電繼電器一起構成選通電路。圖3 中，D1,D2,……Dn 表示的是D 觸發器，每個D 觸發器的輸出Q 是下一個D 觸發器的數據信號，所有的D 觸發器由相同的時鐘信號控制。D 觸發器的反碼輸出Q 用來控制對應的光電繼電器的通斷，當Q 為高電平時光電繼電器斷開，當Q 為低電平時光電繼電器導通。通過控制第一個D 觸發器的數據信號，可實現D1,D2,……Dn 的Q 逐個輸出低電平即移位功能，從而控制光電繼電器K1,K2,……Kn按順序的逐個單獨閉合，實現通道選通功能。
四、測量程序設計
測量程序采用C 語言按照模塊化方法進行編寫，分為通道選擇、A/D 采樣和溫度采樣三個模塊。在進行電池管理系統設計時，可方便得將這三個模塊移植到電池管理系統的系統程序中，為電池管理系統提供電壓和溫度數據。測量程序的流程圖如圖5 所示。
取一個電動摩托車的動力鋰電池進行實驗，電池的容量為40AH。實驗過程中，對電池進行0.15C(6A)放電，實時監測電池的電壓和溫度。在電池電壓從3.9V 降到2.7V 的過程中，每隔40mV 讀取一次測量值。同時用五位半電壓表和高精度的溫度計進行電壓和溫度的測量，測量的值就視為實際電壓和實際溫度。實驗結果如表1 所示。實驗結果顯示電壓測量的平均誤差小于10mV，溫度測量的平均誤差小于0.1℃，由此可見本文提出的方法可較準確的測量單體電池的電壓及溫度。
六、結束語
本文提出的基于移位寄存陣控制的單體電池電壓及溫度測量方法，可實現串聯電池組的電壓及溫度的巡檢，巡檢的電池數量可靈活的增加和減少。相對于其他的測量方法，結構簡潔明了，安裝方便等優點。可為電池管理提供準確的技術參數，在電池應用領域有廣闊的前景。
