具有高电压、高容量、循环寿数长、安全功能好等长处的锂离子电池，在便携式电子设备、电动汽车、空间技能、国防工业等多方面具有宽广的运用远景。由若干节锂离子电池经串联组成的动力锂离子电池组现在运用最为广泛。因为每节单体电池的电压不一致，运用中电池不允许过充电、过放电，电池的功能和寿数受温度影响较大等特色，有必要对串联锂离子电池组进行监测，保证在运用中锂离子电池具有杰出的状况，或许运用中电池出现问题当即报警，电源办理体系当即采纳保证办法，并提示相关人员检修。单体电压和电池组的温度是区分串联锂离子电池组是否正常作业的首要技能指标。文献［1］选用直接采样法，即将丈量的单体电池电压存储在非电容上进行丈量。该办法反响时间慢、差错较大、操控杂乱; 文献［2］选用运放和光藕继电器来丈量串联电池组的单体电压。该办法对光耦的线性度要求很高，导致硬件本钱较高。现在，直接选用集成芯片的串联锂离子电池组监控体系遭到喜爱，但该办法串联电池的数目固定，导致运用不灵敏、硬件本钱高级缺陷。文中研发了一种动力锂离子电池组监测体系，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，当单体电池电压违背规则区间时，监测体系发动报警程序进行声、光报警; 当电池组温度违背规则的区间时，监测体系发动电扇或加热操控电路，并存储有关数据，保证电池组正常作业。整个监测体系具有接连丈量重量、简略经济、精度高和牢靠性高的特色。
1 技能和计划
1. 1 体系结构
串联锂离子电池组监测体系包含选用51 系列单片机的中心操控模块、锂离子电池组状况收集模块、信号调度模块，报警及处理体系模块，监测体系能够经过RS485 接口与PC 机组成分布式监测体系，完成一台PC 监测多个串联电池组，体系结构框图如图1 所示。
状况收集模块包含对单体电池的电压和电池组的温度等参数进行收集，然后待丈量信号进行处理，经过A/D转化器采样后传输给单片机进行数据处理，将有用数据经过串口传到本地PC 机，监测人员能够经过对状况数据的进行剖析然后把握电池组的作业状况，对不安全的状况进行及时的处理，保证其作业的牢靠性。
图1 串联锂离子电池组监测体系结构图
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丈量的办法有多种，最简略的是电阻分压丈量办法，该办法缺陷是大阻值电阻的漂移差错和电阻漏电流导致丈量精度低，且影响电池组的一致性。别的一种较为常用的办法是每一个单体电池用一个阻隔运算放大器，可是它的体积大且价格高，适于丈量精度要求高且不考虑漏电流和本钱的场合。规划选用德州仪器公司的INA117 来处理串联锂离子电池组的共地问题［3］.INA117 的失真为0. 001%; 共模仿制比最小86 dB，共模输入电压规模± 200 V，适合于高精度的丈量。
INA117 内置了380 kΩ、20 kΩ 和21. 1 kΩ3 个电阻，因而外部电路省去精细电阻，减少了精细电阻带来的差错和体系杂乱程度。图2 是INA117 输出1 节电池电压的接法，6 脚和1 脚之间的电压便是1 节电池两头的电压差。
图2 INA117 输出电压是两输入电压之差的接法
该检测体系选用16 个INA117 别离把16 节锂离子电池的单体电压挑选出来。假如它们的1 脚都接相同的地，就能够使16 个INA117 都有相同的信号地，A/D 转化器进行采样。共地址选在第8 节电池负极和第9 节电池正极的衔接处。
每节锂离子电池最高电压为5 V，由图3 可得，第1 个INA117 的3 脚的输入电势最高为40 V.同理，第16 个INA117 的2 脚输入电势最低为- 40 V.第1 至8 个INA117 的输出电压为正，第9 至16 个INA117 的输出电压为负，所以多选一模仿开关和A/D 转化器都要求能够输入正、负电压。多选一模仿开关选用MUX16，为16 选1 可正负电压输入模仿开关，因而16节电池只需1 个MUX16.但因为单片机IO 口有限，文顶用一片74LS154 扩展了IO 口，仅用单片机的4 个IO 口即可操控MUX16 别离选通单节锂离子电池进行电压采样。
图3 16 个INA117 的共地址接法
1. 3 A/D 转化器
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 转化器［4］。各节电池输入的丈量电压经过多选一模仿开关MUX16 与A/D 转化器衔接。依据电池电压的更新周期和电压要求，A/D 转化器传送给单片机的电压转化值差错最大为10 mV.挑选美信公司MAX1272.
MAX1272 是具有毛病维护、可经过软件挑选输入规模的12 位串行模仿数字转化器，运用SPI 三线通信协议，+ 5 V 供电，模仿输入电压规模0 ~ 10 V，0 ~ 5 V，± 10 V，± 5 V.内部自带+ 4. 096 V 参阅电压。当选用内部+ 4. 096 V 参阅电压时，抱负状况下模仿电压输入对应的数字输出，如表1 所示。
表1 抱负状况下模仿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。负数以补码的方式给出。
参阅电压为+ 4. 096 V 时，1LSB = 1. 220 7 mV.
MAX1272 的最大量化差错，加上非线性、失调等差错的影响，总差错约为5 mV.INA117 精度高，正常状况下，差错在1 mV 以内。因而，运用INA117 和MAX1272 的组合，能够满意串联锂离子电池组电池监测体系在电压差错10 mV 以下的要求。需求更高的电压精度，需求选用更高分辨率的A/D 转化器。
MAX1272 的线路衔接图如图4 所示。
图4 MAX1272 的线路衔接图
图4 中MAX1272 选用了内部参阅电压，6 脚VREF 和地之直接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挨近MAX1272。
1. 4 温度监测
针对串联电池组，传统的测温办法多选用模仿温度传感器进行丈量，在数据的收集和传输过程中易受外界环境的搅扰，然后使测得的成果差错较大，且当丈量点较多时，连线较杂乱。文中选用单片机和单总线数字式温度传感器DS18B20 来处理上述问题［5］。其原理如图5 所示。
图5 温度巡回检测体系框图
选用外部5 V 供电，总线上可挂接多片DS18B20，且能够一起进行准确的温度转化，而无需外接驱动电路。测温规模- 55 ~ + 125 ℃; 测温精度： 在- 10 ~+ 85 ℃规模内的精度为± 0. 5 ℃; 在温度收集过程中，单片机芯片需对DS18B20 发命令字，一起也需求读取由DS18B20 收集到的温度。因而，单片机操控器的I /O有必要被设置为具有双向传输数据才能。
本检测体系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，一起检测8 点温度。实践运用时由单片机软件判别出需求显现的温度值： 当温度高于10 ℃时，显现8 个温度点中最高的温度值; 当温度低于10 ℃时，显现8 个温度点中最低的温度值，到达有用合理的温度监控作用。
1. 5 电扇及加热操控电路
关于电池的散热问题，规划了电扇操控电路，经过对丈量到的电池温度值进行判别，决议电扇的敞开或封闭。当温度过高时，单片机将宣布信号敞开电扇。
电路如图6 所示，FAN 为低电平时，晶体管9014 不导通，此刻继电器无动作; 当FAN 为高电平时，晶体管9014 导通，使得继电器触点吸合，电扇在24 V 电源电压的供电下开端作业。
图6 电扇操控电路
关于运用环境杂乱的串联锂离子电池组，除了要考虑温度过高的状况，还要考虑温度过低的状况。因为电池在温度过低的环境下运转时，会使锂离子活性变差，嵌入和脱出才能下降，简单在石墨晶体外表堆积，构成锂金属。构成的锂金属会与电解液产生不可逆的反响。
假如锂离子电池长时间在低温下作业，则将使电池的容量下降显着。因而依据需求规划了加热器操控电路，原理如电扇操控电路。
2 监测体系的功能
实测证明，运用INA117、16 选1 模仿开关MUX16、MAX1272、51 单片机和DS18B20 的串联锂离子电池组监测体系监测16 节3. 7 V 锂离子电池，电压的丈量差错彻底在10 mV 以内。温度方面，因为DS18B20 精度较高，温度差错在1 ℃以内。电压和温度的丈量均到达要求，体系运转牢靠。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，单片机调用严峻报警程序进行声光报警。假如温度值超出预设温度值的容许规模，串联锂离子电池组监测体系进行声光报警。电扇和加热操控电路均能依据设定温度正常发动操控电路。当温度低于5 ℃时，发动加热操控电路; 温度高于50 ℃时，发动电扇操控电路。
3 结束语
串联锂离子电池组检测体系，选用高共模抑制比差分运放INA117 处理了共地问题，监测电压差错正负10 mV，如要进一步进步检测精度，能够选用高位A/D转化器。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。依据实践运用，可把几个检测体系串接起来检测更多的串联锂离子电池组，但要保证共模电压不超越INA117 的最大维护共模电压规模。
