串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

每節(jié)鋰離子電池最高電壓為5 V,由圖3 可得，第1 個(gè)INA117 的3 腳的輸入電勢(shì)最高為40 V.同理，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。多選一模擬開關(guān)選用MUX16,為16 選1 可正負(fù)電壓輸入模擬開關(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)量電壓通過多選一模擬開關(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 三線通信協(xié)議，+ 5 V 供電，模擬輸入電壓范圍0 ~ 10 V,0 ~ 5 V,± 10 V,± 5 V.內(nèi)部自帶+ 4. 096 V 參考電壓。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1 所示。

表1 理想情況下模擬電壓輸入對(duì)應(yīng)的數(shù)字輸出

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，正常情況下，誤差在1 mV 以內(nèi)。因此，使用INA117 和MAX1272 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A/D 轉(zhuǎn)換器。

MAX1272 的線路連接圖如圖4 所示。

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 μF 鉭電容和0. 1 μF 陶瓷電容。

PCB 布線時(shí)，這兩個(gè)電容都要求盡量接近MAX1272。

1. 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)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 來解決上述問題[5].其原理如圖5 所示。

圖5 溫度巡回檢測(cè)系統(tǒng)框圖

采用外部5 V 供電，總線上可掛接多片DS18B20,且可以同時(shí)進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，而無需外接驅(qū)動(dòng)電路。測(cè)溫范圍- 55 ~ + 125 ℃; 測(cè)溫精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范圍內(nèi)的精度為± 0. 5 ℃; 在溫度采集過程中，單片機(jī)芯片需對(duì)DS18B20 發(fā)命令字，同時(shí)也需要讀取由DS18B20 采集到的溫度。因此，單片機(jī)控制器的I /O必須被設(shè)置為具有雙向傳輸數(shù)據(jù)能力。

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DS18B20,設(shè)置8 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)檢測(cè)8 點(diǎn)溫度。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： 當(dāng)溫度高于10 ℃時(shí)，顯示8 個(gè)溫度點(diǎn)中最高的溫度值; 當(dāng)溫度低于10 ℃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。