一种电池组电压检测电路及管理系统的设计与研究

2019-09-10刘兰兰张远念罗念邓祥龙

现代信息科技 2019年9期

刘兰兰张远念罗念邓祥龙

摘要：本设计特别创新地提出了一种电池组电压检测电路及电池组管理系统，提供了一种电池组电压检测电路，包括由多节单电池串联的电池组，还包括选通切换电路、方向控制电路、电压检测电路、A/D转换隔离电路以及控制器。该电池组管理系统除具有电池组电压检测电路的有益效果外，还具有电流检测和实时监测电池组温度的功能。本设计简化了电路结构，节省了器件成本，提高了检测精度。

关键词：A/D转换;选通切换;电压检测;方向控制电路

中图分类号：TM912;TN710.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）09-0032-04

0 引言

锂电池具有电压高、能量密度大、循环性能好、自放电小、无记忆效应等突出优点，应用非常广泛[1，2]，但由于锂电池电压一般只有3.6V左右，在大多数应用中，为了提高电池使用效率、配合使用时所需的功率等目的，需要把多节锂电池串联组成电池组，以提高使用时的电压，而在对串联电池组的多节电池进行均衡充放电等情况下，需要分别检测各节电池两端的电压。为检测电池组中各节电池两端的电压，存在现有技术：分别检测电池的各端口对地或对基准端的电压，再根据检测出的电压分别计算每节电池两端的电压。但由于上述现有检测技术需要设置计算单元以用于根据检测出的电压计算每节电池两端的电压，因而电路结构较为复杂。

现有技术中公开号为CN102331561B的中国专利披露了一种电池电压检测电路及电池管理系统，该发明虽然仅通过两个运算放大器单元奇偶交错，对待测电池采样，结构简单，成本低，减小电池的耗电差异，并增加开关控制，进一步降低待机时的功耗[3]。但该发明还是需要两路电压运算放大器分别检测奇数节的单体电池电压和偶数节的单体电池电压，不能实现只用一个电压运算放大器检测所有单节电池的电压，还需要做进一步的改进。

1 研究内容

本系统主要由多节单电池串联的电池组、选通切换电路、方向控制电路、电压检测电路和控制电路组成。通过电池组提供的电源经过转换给系统供电，由选通切换电路将电池组的每节单电池的电压依次送往电压检测电路，由于需要依次检测每节单电芯的电压，通过方向控制电路实现。每节单电芯的电压被送到电压检测电路，通过三级运放调理后满足单片机A/D检测口对检测信号的要求，处理之后的信号经线性光耦隔离再传输到单片机的I/O口。

系统整体设计框图如图1所示。

1.1 选通切换电路

译码器（74HC138）的每一路输出用来控制相邻的两个光耦继电器（U1、U3）原端导通（光耦继电器为双封装），从而将单节电池的两端电压分别送到VIN1和VIN2，其中VIN1为所有单数光耦继电器的输出，VIN2为所有双数光耦继电器的输出。设置片选信号使译码器使能，这样就能使每组电压依次送往电压检测电路。译码器每个输出端对应控制电池组中的一节单电池正负极的接通和断开，简化了控制原理，只需使译码器的多个输出端依次为低电平，就可以依次检测到电池组中的单节电池电压，控制原理简单，易操作。

采用光耦继电器，能够让电池组部分与电压检测电路隔离，保护控制器，同时不影响测量精度。

选通切换电路原理图如图2所示。

1.2 方向控制电路

由于需要依次检测每节单电芯的端电压，每当切到下一路时，原来送往检测电路正输入端的信号便需要送往检测电路的参考地端，因此通过四个光耦继电器来倒换方向。

当A0为低电平且Y0被选通时，上面两个光耦继电器原边不导通，而只有下面两个光耦继电器的原边导通，这样VIN1被送到GND2（检测电路的参考地端），VIN2被送到VIN（检测电路的正输入端）。

当A0为高电平且Y1被选通时，则上面两个光耦继电器原边导通，而下面两个光耦继电器的原边不导通，这样VIN1被送到VIN（检测电路的正输入端），VIN2被送到GND2（检测电路的参考地端）。

通过四个光耦继电器的配合，能够实现奇数节电池正极和偶数节电池正极与后级电路连接的交叉变换，将两者间电平较低者与控制器的地连接，电平較高者与控制器的A/D采集端连接，实现了电池正负极两端电压的差分运算。方向变换电路根据测试的单电池的序列数的奇偶性对输入控制器的地和控制器的A/D采集端的信号作交叉变换，使控制器A/D采集端采集的电压值为单电池正极与负极的正电压差。该电路结构简单，不需要差分运放，控制方便，极大地节省了器件成本。

方向控制电路设计原理图如图3所示。

1.3 电压检测和信号调理电路

电压检测和信号调理电路原理图如图4所示。

选通切换电路和方向控制电路每次将单节电芯的正端电压送到VIN，而将负端电压送到GND2。经过第一级运放A1对检测信号进行射随处理，第二级运放A2做二分压后再射随处理，利用第三运算放大器A3构成有源滤波器，对第二级运算放大器输出电压进行滤波处理，经过信号调理电路调理的信号，其信号幅值与控制器的A/D采集端输入范围匹配，并且滤除了干扰，提高了测量精度。

1.4 隔离电路

单节电池电压检测电路处理之后的信号经线性光耦隔离再送至单片机的A/D接口，通过光耦隔离来保护控制器。

隔离电路原理图如图5所示。

1.5 均衡控制电路

电池组管理系统，还包括多个并连连接在每节单电池正极和负极的均衡控制电路[4]。均衡控制电路包括MOS管T2、电阻R13和均衡芯片（S-8211）U1。充电过程中，对各个电芯电压进行巡检，当有电芯电压超过充电保护值时（设置均衡启动点为3.6V，偏差为大于25mV时），MOS管导通并启动旁路电阻进行分流（700mA），使得过压电芯与其他电芯电压一致，电压低至关闭值时，均衡功能关闭。

通过均衡电路能够对各节单电池均衡充电，提高一致性，延长电池组的寿命。

均衡控制电路安装示意图和均衡控制电路原理图分别如图6、图7所示。

1.6 电流检测电路

电池组管理系统，还包括电流检测电路。电流检测电路包括串连连接在电池组放电和充电回路中的分流器和差分放大器。由于存在充电和放电两个过程，所以采用两个单向的高共模运放，运放U12检测放电时电流，运放U13检测充电时电流。高共模运放将分流器两端的电压变换为0～2.5V的电压，再经RC滤波进入单片机的A/D接口。

通过电流检测电路实时监测电池组的放电或充电电流，有利于保护电池组，避免过充和过放造成电池的损坏。

电流检测电路原理图如图8所示。

1.7 温度检测电路

电池组电压检测电路，还包括温度检测电路。温度检测电路包括靠近电池组或者在电池组表面设置的热电偶RT和电阻R15。通过温度检测电路，该电池组管理系统除具有电池组电压检测电路的有益效果外，还具有实时监测电池组的温度的功能，能够对电池组进行保护，避免高温损坏。

温度检测电路原理图如图9所示。

2 结论

本设计提供的一种电池组电压检测电路及电池组管理系统，能够精准测量电池组每节单电芯的电压。该技术方案采用方向控制电路获取奇数节单电池和偶数节单电池的正负极电压差，极大地简化了电路结构，节省了器件成本，每个单电池的正负极电压差通过的电路一致，后续被控制器的同一个A/D管脚采集，提高了检测精度。

该电池组管理系统不仅能够有效检测电池组电压，还能检测电流和实时检测电池组的温度。电路结构简单，器件成本低，检测精度高，还能够对电池组进行保护，避免过充或过放以及温度过高造成电池组的损坏。

參考文献：

[1] 张世超.锂离子电池产业现状与研究开发热点 [J].新材料产业，2004（1）：46-52.

[2] 姜久春.电池管理系统的概况和发展趋势 [J].新材料产业，2007（8）：40-43.

[3] 张彩辉，侯涛，巨祥生.一种电池电压检测电路及电池管理系统：CN202256636U [P].2012-05-30.