串聯(lián)電池電壓及溫度測量方法研究

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　　一、引言

　　在提倡節(jié)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(xiàn)存的容量參數(shù)。電池的電壓及溫度是和電池容量密切相關的兩個參數(shù)，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(lián)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(jié)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(xiàn)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(xiàn)，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(shù)量少的I/O 去控制數(shù)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(xiàn)場與測量系統(tǒng)的電氣隔離、降低成本和簡化設計方案、提高系統(tǒng)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(lián)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(jiān)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(xiàn)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(shù)字溫度傳感器進行同時啟動分時讀取數(shù)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。

　　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(tǒng)，單體電池電壓的測量是采用分時測量的方法。串聯(lián)電池組中各個電池的兩端通過光電繼電器隔離，然后統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)可管理電池的數(shù)量。同時在電池管理系統(tǒng)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(tǒng)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(lián)電池組的連接方式如圖1 所示。

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　　圖 1 中，E1,E2,……En 表示的是電池組，雙刀開關K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器組。在不同的時間分別單獨導通K1,K2,……Kn，即可實現(xiàn)單體電池E1,E2,……En 的電壓測量。光電繼電器組的通斷是由D 觸發(fā)器串聯(lián)而成的移位寄存陣控制，只需兩個I/O 口分別提供時鐘信號(CLK)和數(shù)據信號(D)即可工作，大大減少了I/O 資源的占用。實際設計時，一個D 觸發(fā)器和一對光電繼電器構成選通模塊，一個電池對應一個選通模塊，所以直接將選通模塊安裝在電池上，選通模塊之間用排線串聯(lián)起來構成由移位寄存陣控制的選通電路。選通電路與電壓采集電路之間也用排線連接，需要的線數(shù)量很少，所以電池管理系統(tǒng)安裝方便，電氣走線簡潔明了。