串联电池电压及温度测量方法研究

    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。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PhotoMOS 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。
    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—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±1.0℃，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，单体电池电压的测量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I/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，提出一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1 所示。

    图 1 中，E1,E2,……En 表示的是电池组，双刀开关K1,K2,……Kn 表示的是光电继电器组。在不同的时间分别单独导通K1,K2,……Kn，即可实现单体电池E1,E2,……En 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I/O 口分别提供时钟信号（CLK）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
    电池温度的测量采用DALLAS 公司的DS18B20 温度传感器。DS18B20 采用单总线技术，测温范围-55°C~+125°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DS18B20 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DS18B20 独有的ROM 码，影响采样速度，同时无法将ROM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DS18B20 多点温度采样方法。该种方法中DS18B20的采样启动和数据读取都是跳过ROM 码校验进行的。DS18B20 的连接方式如图2 所示。

    图中 K1,K2,……Kn 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K1,K2,……Kn 全部闭合，MCU向所有DS18B20 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K1,K2,……Kn，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，D1,D2,……Dn 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Q 用来控制对应的光电继电器的通断，当Q 为高电平时光电继电器断开，当Q 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D1,D2,……Dn 的Q 逐个输出低电平即移位功能，从而控制光电继电器K1,K2,……Kn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，CLK 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，Q 1,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Q1 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，Q 1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Q 1, Q 2,…… Q n 依次输出低电平。在Q 1, Q 2, …… Q n 的控制下，光电继电器K1,K2,……Kn 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40AH。实验过程中，对电池进行0.15C（6A）放电，实时监测电池的电压和温度。在电池电压从3.9V 降到2.7V 的过程中，每隔40mV 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电压和实际温度。实验结果如表1 所示。实验结果显示电压测量的平均误差小于10mV，温度测量的平均误差小于0.1℃，由此可见本文提出的方法可较准确的测量单体电池的电压及温度。
    六、结束语
    本文提出的基于移位寄存阵控制的单体电池电压及温度测量方法，可实现串联电池组的电压及温度的巡检，巡检的电池数量可灵活的增加和减少。相对于其他的测量方法，结构简洁明了，安装方便等优点。可为电池管理提供准确的技术参数，在电池应用领域有广阔的前景。