串联锂离子电池组监测系统的设计方案

摘要：介绍一个以51 系列单片机为主控单元的串联锂离子电池组监测系统。采用差分放大器和模拟开关轮流检测单体电池电压，利用单片机的IO 接口和DS18B20 实现单总线多点温度检测。系统简单经济，经过试验，能可靠、准确地对串联锂离子电池组进行监测。

具有高电压、高容量、循环寿命长、安全性能好等优点的锂离子电池，在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面具有广阔的应用前景。由若干节锂离子电池经串联组成的动力锂离子电池组目前应用最为广泛。由于每节单体电池的电压不一致，使用中电池不允许过充电、过放电，电池的性能和寿命受温度影响较大等特点，必须对串联锂离子电池组进行监测，确保在使用中锂离子电池具有良好的状态，或者使用中电池出现问题立即报警，电源管理系统立即采取保障措施，并提醒相关人员检修。单体电压和电池组的温度是辨别串联锂离子电池组是否正常工作的主要技术指标。文献[1]采用直接采样法，将要测量的单体电池电压存储在非电容上进行测量。该方法反应时间慢、误差较大、控制复杂; 文献[2]采用运放和光藕继电器来测量串联电池组的单体电压。该方法对光耦的线性度要求很高，导致硬件成本较高。目前，直接采用集成芯片的串联锂离子电池组监控系统受到青睐，但该方法串联电池的数目固定，导致应用不灵活、硬件成本高等缺点。文中研制了一种动力锂离子电池组监测系统，对串联锂离子电池组的单体电压和电池组的温度进行在线监测，当单体电池电压偏离规定区间时，监测系统启动报警程序进行声、光报警; 当电池组温度偏离规定的区间时，监测系统启动风扇或加热控制电路，并存储有关数据，确保电池组正常工作。整个监测系统具有连续测量分量、简单经济、精度高和可靠性高的特点。

1 技术和方案

1. 1 系统结构

串联锂离子电池组监测系统包括采用51 系列单片机的核心控制模块、锂离子电池组状态采集模块、信号调理模块，报警及处理系统模块，监测系统可以通过RS485 接口与PC 机组成分布式监测系统，实现一台PC 监测多个串联电池组，系统结构框图如图1 所示。

状态采集模块包括对单体电池的电压和电池组的温度等参数进行采集，然后待测量信号进行处理，通过A/D转换器采样后传输给单片机进行数据处理，将有效数据通过串口传到本地PC 机，监测人员可以通过对状态数据的进行分析从而掌握电池组的工作情况，对不安全的状态进行及时的处理，确保其工作的可靠性。

图1 串联锂离子电池组监测系统结构图

1. 2 串联锂离子电池组的共地问题

串联锂离子电池组电压测量的方法有多种，最简单的是电阻分压测量方法，该方法缺点是大阻值电阻的漂移误差和电阻漏电流导致测量精度低，且影响电池组的一致性。另外一种较为常用的方法是每一个单体电池用一个隔离运算放大器，但是它的体积大且价格高，适于测量精度要求高且不考虑漏电流和成本的场合。设计选用德州仪器公司的INA117 来解决串联锂离子电池组的共地问题[3].INA117 的失真为0. 001%; 共模拟制比最小86 dB,共模输入电压范围± 200 V,适合于高精度的测量。

INA117 内置了380 kΩ、20 kΩ 和21. 1 kΩ3 个电阻，因此外部电路省去精密电阻，减少了精密电阻带来的误差和系统复杂程度。图2 是INA117 输出1 节电池电压的接法，6 脚和1 脚之间的电压就是1 节电池两端的电压差。

图2 INA117 输出电压是两输入电压之差的接法

该检测系统采用16 个INA117 分别把16 节锂离子电池的单体电压挑选出来。如果它们的1 脚都接相同的地，就可以使16 个INA117 都有相同的信号地，A/D 转换器进行采样。共地点选在第8 节电池负极和第9 节电池正极的连接处。

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1. 5 风扇及加热控制电路

对于电池的散热问题，设计了风扇控制电路，通过对测量到的电池温度值进行判断，决定风扇的开启或关闭。当温度过高时，单片机将发出信号开启风扇。

电路如图6 所示，FAN 为低电平时，晶体管9014 不导通，此时继电器无动作; 当FAN 为高电平时，晶体管9014 导通，使得继电器触点吸合，风扇在24 V 电源电压的供电下开始工作。

图6 风扇控制电路

对于应用环境复杂的串联锂离子电池组，除了要考虑温度过高的情况，还要考虑温度过低的情况。因为电池在温度过低的环境下运行时，会使锂离子活性变差，嵌入和脱出能力下降，容易在石墨晶体表面沉积，形成锂金属。形成的锂金属会与电解液发生不可逆的反应。

如果锂离子电池长期在低温下工作，则将使电池的容量下降明显。因此根据需要设计了加热器控制电路，原理如风扇控制电路。

2 监测系统的性能

实测证明，使用INA117、16 选1 模拟开关MUX16、MAX1272、51 单片机和DS18B20 的串联锂离子电池组监测系统监测16 节3. 7 V 锂离子电池，电压的测量误差完全在10 mV 以内。温度方面，由于DS18B20 精度较高，温度误差在1 ℃以内。电压和温度的测量均达到要求，系统运行可靠。当串联锂离子电池组任何一节电池电压 2. 2 V 时，单片机调用轻度报警程序进行声光报警，并通报存在问题的电池。

当串联锂离子电池组任何一节电池电压> 5 V 时，单片机调用严重报警程序进行声光报警。如果温度值超出预设温度值的容许范围，串联锂离子电池组监测系统进行声光报警。风扇和加热控制电路均能根据设定温度正常启动控制电路。当温度低于5 ℃时，启动加热控制电路; 温度高于50 ℃时，启动风扇控制电路。

3 结束语

串联锂离子电池组检测系统，采用高共模抑制比差分运放INA117 解决了共地问题，监测电压误差正负10 mV,如要进一步提高检测精度，可以选用高位A/D转换器。检测时，锂离子电池是串联接在检测模块上的，要保证接线正确。根据实际应用，可把几个检测系统串接起来检测更多的串联锂离子电池组，但要确保共模电压不超过INA117 的最大保护共模电压范围。

参考文献

[1] 谭磊。 多单元电池组单元电池电压测量[J]. 电测与仪表，1999( 11) : 17 - 19.

[2] 蒋新华，雷娟，冯毅，等。 串联电池组电压测量的新方法[J]. 仪器仪表学报， 2007, 28( 4) : 734 - 737.

[3] 孙肖子，楼顺天，李先锐，等。 模拟及数模混合器件的原理与应用[M]. 北京： 科学出版社， 2009.

[4] 彭明杰，钟汉枢。 串联电池组监测系统[J]. 仪表技术与传感器， 2005( 5) : 42 - 44.

[5] 付进军，齐铂金，吴红杰，等。 动力电池组管理系统单总线测温技术研究[J]. 中国测试技术， 2004,6( 30) : 10 - 12.