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串联锂离子电池组监测系统的设计

2013-11-05 18:28
瑾年Invader
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  1. 3 A/D 转换器

  监测电池组无需用很高的采样速度采样每节电池的电压,16 节电池电压的采样共用1 个A/D 转换器[4]。各节电池输入的测量电压通过多选一模拟开关MUX16 与A/D 转换器连接。根据电池电压的更新周期和电压要求,A/D 转换器传送给单片机的电压转换值误差最大为10 mV.选择美信公司MAX1272.

  MAX1272 是具有故障保护、可通过软件选择输入范围的12 位串行模拟数字转换器,使用SPI 三线通信协议,+ 5 V 供电,模拟输入电压范围0 ~ 10 V,0 ~ 5 V,± 10 V,± 5 V.内部自带+ 4. 096 V 参考电压。当采用内部+ 4. 096 V 参考电压时,理想情况下模拟电压输入对应的数字输出,如表1 所示。

  表1 理想情况下模拟电压输入对应的数字输出

  表1 理想情况下模拟电压输入对应的数字输出

  由表1 可知,MAX1272 输出的数字量最高位是符号位,余下的11 位是数据。负数以补码的形式给出。

  参考电压为+ 4. 096 V 时,1LSB = 1. 220 7 mV.

  MAX1272 的最大量化误差,加上非线性、失调等误差的影响,总误差约为5 mV.INA117 精度高,正常情况下,误差在1 mV 以内。因此,使用INA117 和MAX1272 的组合,可以满足串联锂离子电池组电池监测系统在电压误差10 mV 以下的要求。需要更高的电压精度,需要选用更高分辨率的A/D 转换器。

  MAX1272 的线路连接图如图4 所示。

 

  图4 MAX1272 的线路连接图

  图4 MAX1272 的线路连接图

  图4 中MAX1272 采用了内部参考电压,6 脚VREF 和地之间接2. 2 μF 钽电容和0. 1 μF 陶瓷电容。

  PCB 布线时,这两个电容都要求尽量接近MAX1272。

  1. 4 温度监测

  针对串联电池组,传统的测温方法多采用模拟温度传感器进行测量,在数据的采集和传输过程中易受外界环境的干扰,从而使测得的结果误差较大,且当测量点较多时,连线较复杂。文中采用单片机和单总线数字式温度传感器DS18B20 来解决上述问题[5]。其原理如图5 所示。

  图5 温度巡回检测系统框图

  图5 温度巡回检测系统框图

  采用外部5 V 供电,总线上可挂接多片DS18B20,且可以同时进行精确的温度转换,而无需外接驱动电路。测温范围- 55 ~ + 125 ℃; 测温精度: 在- 10 ~+ 85 ℃范围内的精度为± 0. 5 ℃; 在温度采集过程中,单片机芯片需对DS18B20 发命令字,同时也需要读取由DS18B20 采集到的温度。因此,单片机控制器的I /O必须被设置为具有双向传输数据能力。

  本检测系统每隔一节锂离子电池在总线上挂接一片DS18B20,设置8 个温度监测点,同时检测8 点温度。实际应用时由单片机软件判断出需要显示的温度值: 当温度高于10 ℃时,显示8 个温度点中最高的温度值; 当温度低于10 ℃时,显示8 个温度点中最低的温度值,达到有效合理的温度监控效果。

  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

  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。

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