串联电池组电压测量的新方法_图文

1、第28卷 第4期2007年4月仪器仪表学报Ch i nese Journa l o f Sc ientific Instru m entV ol 28N o 4A pr 2007串联电池组电压测量的新方法蒋新华1,2,雷 娟1,2,冯 毅1,2,解晶莹1,2(1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 上海 200050;2 中国科学院研究生院 北京 100049摘 要:本文提出了一种以运算放大器和MO SFET 管相结合的串联电池组测量电压的新方法,相对于目前的电压测量电路具有电路简单、测量精度高以及温度漂移小的优点。针对目前应用广泛的10串锂离子电池组设计了电压测量电路,结合光电继电器使测量

2、电路对电池组的一致性影响非常小,且功耗低。文中详细分析了电路的工作原理以及各参数对测量精度的影响,实验证明此电路随温度的变化电压漂移很小。关键词:串联电池组;电压测量;光电继电器;一致性;漏电流中图分类号:TM 912.9 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:510.1010Novelm easure m entm ethod for vo ltages of series batteri esJiang X inhua 1,2,Lei Juan 1,2,Feng Y i 1,2,X i e Ji n gy i n g1,2(1Shanghai Instit u te of M icrosy

3、 ste m and Infor m ati on T echno logy,Ch i nese A cade my of S ciences ,Shanghai 200050,China;2G raduate S choo l of t he Chinese A cade my of Sciences,B eijing 100049,ChinaAbst ract :A nove lm easure m entm ethod for vo ltages of seri e s batteries is presented ,w hich co m b i n es operational a

4、m-plifier and MOSFET.I n co m parison w ith currently used vo ltage m easure m ent circuits ,th is m ethod has so m e m eritssuch as si m plicity ,h i g h accuracy and l o w te m perature drif.t A vo ltage m easure m ent c ircu it w as designed for ten L ithium -i o n batteries i n series ,w hich ar

5、e w i d ely used no w.The w orking pri n ciples o f the m easure m en t c ircu it and t h e effect of the circuit para m eters on the m easure m en t accuracy are analyzed i n deta i.l Experi m en t test de m onstrates t h at t h e output vo ltage of the m easure m ent c ircu it drifts w ith te m pe

6、rature very little .M oreover ,photoe lectric relays are a lso used in the m easure m ent circui,t wh ich m ake the c ircu it have little effect on the consistency o f the series batteries ;and the pow er dissi p ation o f the m easure m ent c ircu it is very lo w.K ey w ords :series batteries ;vo l

7、tage m easure m en;t photoe lectric relay ;consistency ;l e akage current收稿日期:2006-03 Recei ved Date :2006-031 引 言串联电池组广泛应用于手携式工具、笔记本电脑、通讯电台、便携式电子设备、航天卫星、电动自行车、电动汽车及储能装置中。为了使电池组的可用容量最大化及提高电池组的可靠性,电池组中的单体电池性能应该一致,从而需对单体电池进行监控,即需要对单体电池的电压进行测量。串联电池组电压测量的方法有很多,最简单的电压测量方法是用电阻分压的方式来测量1,该方法缺点是大阻值电阻的漂移误差和电阻

8、上的漏电流导致测量精度低且影响电池组的一致性。另外一种比较常用的方法是每一个单体电池用一个隔离运算放大器2,这种运算放大器可以把电池电压转换为统一参考地的电压,而且能避免用电阻分压造成的漂移误差和漏电流的问题;但是它的体积大且价格高,适合于测量精度要求高且不考虑漏电流和成本的场合。文献3所提出的方法成本比较低,它采用了分立元件,但由于对应的三极管对的参数需要匹配,否则会造成比较大的偏差,且三极管的温漂大,因此该方法温漂较大。文献4提出的方法较好,但是测量电路处于不工作状态时,测量回路仍然有0.1mA 左第4期蒋新华等:串联电池组电压测量的新方法735右的漏电流,长时间的累积会导致电池的不一致及

9、消耗电池组的电能。还有的采用继电器阵选择来测量5,该方法控制开关复杂,且开关具有一定的导通阻值,会影响电压测量的精度。目前应用较多的是运算放大器差分放大法及直接采样法6-7,这些电压测量方法都存在着大阻值电阻对的匹配问题以及漏电流的问题。因此在实际使用中必须用开关来控制测量电路,只有在测量时开关才接通。文献6中采用了光电继电器作为开关,但是由于采用的数量多且价格高,导致了体积和成本的上升。在电路中,这些漏电流相对于工作电流很小可以忽略,但结合了电池组,漏电流长时间的积累是影响电池组一致性的非常重要的因素8。本文采用的电压测量电路简单、成本低,且性能优良,结合光电继电器在实际使用中有着很大的优势

10、。2 电压测量电路电压测量电路如图1所示,电路主要由运算放大器A 1和P 型M OSFET 管(m eta-l ox i de -se m i conductor field effect trans i storQ 1组成,外围电路只需3个电阻即可。其中B n +为第n 节电池的正极电压,B n -为第n 节电池的负极电压,V n 为第n 节电池的电压,V 1为参考电源。 图1 电压测量电路原理图F i g .1P r i nciple diag ram of t he vo ltag e m easurem ent circu it 电路开始工作时,如果运算放大器的反向输入端电压大于正向输

11、入端电压,则输出为低电平,从而使M OS -FET 管源极和栅极的电压差大于开启电压,开始导通;运算放大器反向输入端的电压因电阻R 3的分压下降,使它的反向输入端的电压低于正向输入端,则输出电压上升,达到平衡后,运算放大器的正向输入端的电压和反向输入的电压相等,则有:I 1=B n +-B n -R 2(1由于运算放大器的高输入阻抗以及MOSFET 管的源栅极电流非常小,所以:I 1=I 2(2而输出电压为:V n =I 2 R 3(3把式(1、(2代入式(3得:V n =B n +-B n -R 2R 3(4电路设计中选择R 2、R 3阻值相同,即R 2=R 3,则:V n =B n +-B

12、 n -(5为了保证此电路的正常工作,图1中V 1的电压应大于B n +电压的一半以上。因为要保证MO SFET 管Q 1导通后,电阻R 2和R 3的分压值要小于B n -,这样才能使运算放大器达到平衡,处于放大状态。在串联锂离子电池组中,应至少2节电池的电压。因为如果为1节电池的电压,则由于V 1值太小,使A 1不能达到平衡处于运放状态而处于比较器状态,这样测量电路就不能正常工作。3 实验结果和分析在电压测量实验中,选取V 1为7V ,测试电池电压为3.921V ,R 1为20k ,精度为1%,A 1为OP 07C ,Q 1为BSS 84,R 2=R 3为1%精度的精密电阻,通过改变R 2的

13、电阻值发现V n 值会产生变化,如表1所示。表1 输出电压随电阻R 2变化表Tab l e 1 Ou tpu t vo ltage ver s u s the value of re sistor R 2阻值/k 5102550100250电压/V3.9213.9193.9003.8563.8213.809可以看出随着电阻值的增大,流过MOSFET 的工作电流减小,使源漏极电压发生了偏差,因此在电路中为了保证电压测量的精度,采用R 2=R 3为5.1k 电阻,精度为1%。该电压测量电路对于温度的漂移也较小,如图2所示,在-30+60 的工作范围内电压漂移仅为4mV,电压偏差 V =V n (2

14、0 -V n 图2 电压测量随温度变化图F i g .2Curve o f vo ltag e v ersus te m pera t ure736 仪 器 仪 表 学 报第28卷电压偏差为20 时测量的电压值和不同温度下测量的电压值的差值,20 时电压的测量值为3.921V 。在实际使用过程中,电压测量电路存在着漏电流,即使把运算放大器的工作电源都断开,但是由于电池电压在运算放大器的反向输入端和正向输入端形成了一个回路,实际测量也大约有0.5mA 的漏电流,这个电流在长期存放过程中将导致电池的电量消耗和电池组的不一致,因此必须在和电池组相连的地方通过开关来控制。针对于目前应用比较广泛的10串

15、锂离子电池组,本文采用的这种新电压测量电路,大大减小了测量电路的体积和成本。采用了4集成运算放大器L M 324,如图3所示,同时在测量输入端采用了光电继电器作为开关。图3 串联电池组电压测量原理图F i g .3Sche m a tic diagra m of vo ltage m easure m en t c i rcu it o f ser i a lly -connected batte ries因第1节电池的电压正好在采样范围内,所以采用直接采样,而第2节电池的电压通过电阻分压来测量,减 去V 1即为第2节电池的电压。第3到6节电池电压通过一片4集成运算放大器来实现,第7到10节电

16、池电压同样通过一片4集成运算放大器实现。由于电路中的参考电源为两节锂离子电池,电压为5V 以上,所以能够满足运算放大器的平衡条件。而集成运算放大器的工作电压为第6节电池的电压,由于集成运算放大器的最高工作电压为32V ,而6串电池电压最大值为25V 左右,因此能保证运算放大器的正常工作。对于第7到第10节的集成运算放大器,由于运算放大器的接地端为第6节电池的电压,因此它的最高工作电压为4串电池组的电压,也能满足运算放大器的正常工作。由于在实际测量中因测量电路存在的漏电流,所以在测量端采用了光电继电器作为开关,这种电路设计比文献6中的光电继电器数量减少一半,大大减少了体积和成本。而且这种电路设计

17、在光电继电器断开时,电压测量电路处于断电状态,不消耗电流,因此节省了电量。光电继电器采用TLP521-2,电路如图4所示。图4 光电继电器控制电路F i g .4Contro l c ircuit w it h photoe l ec tric re l aysTLP521-2光电继电器为2集成器件,一个芯片可以实现2个开关的作用,通过控制端来控制开关的通断。第4期蒋新华等:串联电池组电压测量的新方法737但是应该注意的是,由于光电继电器开关有一定的导通内阻,所以在选择电阻时应作一些调整,否则会造成一定的测量误差。4 结 论本文采用的这种以运算放大器和MO SFET管相结合的电压测量电路测量精

18、度高、温漂小,相对于其他电压测量电路,有着电路简单、体积小、成本低的优点。通过对电路原理的分析和各参数的研究能够使其适用于各种串联电池组的电压测量。结合光电继电器不仅减少了测量电路对电池组一致性的影响,而且使其在非测量时处于断电状态,从而节省了电能,所以该测量电路凭其特点有着很好的实用价值。参考文献1 YANG S,HE L P,Z HONG ZH H.A ba ttery m on itor i ngsyste m based on CAN bus for e l ectric veh i c lesJ.Jour-na l o f G uizhou U n i versity o f T e

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22、pilesJ.Ba ttery B-im on t h l y,2005,35(2:135-136. 作者简介蒋新华,男,1976年9月出生,1999年于哈尔滨工业大学获得学士学位,2004年于中科院上海微系统与信息技术研究所获得硕士学位,现为中科院上海微系统与信息技术研究所博士研究生,主要研究方向为锂离子电池组管理系统。电话:021-*-8903;E-m a i:l N e w titan_hit163.co mJiang X i nhua,m a le,born i n Sep.1976,PhD cand i date i n Shangha i Institute o f M icro

23、syste m and Info r ma ti on T echno logy, CA S.H e rece i ved BSc fro m H arb i n Institute o f T echno logy i n 1999and M Sc fro m Shangha i Institute o fM i c rosyste m and Infor-m ation T echno l ogy i n2004.H is research i n terests i nc l ude lit h-i u m-i on batteries m anage m en t syste m.T e:l+86-21-62511070-8903;E-m a i:l N ew titan_h it 雷娟,女,1982年6月出生,2004年于西北工业大学获得学士学位,现为中科院上海微系统与信息技术研究所硕士研究生,主要研