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1、 ZMZZ 研宄与设计 锂电池组单体电压精确检测方法 雷晶晶 1,李秋红 1，龙泽 2，王太宏 张金顶 1 (1.湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室物理与微电子科学学院微纳技术研宄中心，湖南长沙 410082; 2.中国北方车辆研宄所，北京 100072) 摘要 :提出了一种基于高压模拟开关和差动运算放大器的串联锂电池组单体电压检测方法，该方法由高压模拟开关、差 动运算放大器、绝对值处电路及 AD采样电路组成。提供了 15串锂电池组电压检测电路，高压模拟开关采用 MAX14752,差动运算放大器采用 NA148UA。 最后给出了 15串锂电池组电压检测系统的实验结果，并进行分析。结果
2、表明，该方法具有高精度、对锂电池组影响小、体积小等优点，为电池组的精确均衡及 SO C估算提供基础，用于电动车 及锂电池储能系统等领域。 关键词 :锂电池；电压检测；高压模拟开关 ;差动运算放大器 中图分类号 ： TM 912.9 文献标识码 :A 文章编号： 1002-087 X (2012)03-0332-03 A precise voltage measuring method of a single cell in Li-ion battery LEI Jing-jing1, LI Qiu-hong1, LONG Ze2, WANG Tai-hong1, ZHANG Jin-ding1
3、 (1.Key Laboratory for Micro-Nano Optoelectronic Devices of Ministry of Education, and Micro-Nano Technologies Research Center, Hunan University, Changsha Hunan 410082, China; 2.China North Vehicle Research Institute, Beijing 100072, China) Abstract: A m elhod to in easuie 1he volage of a siigle ceE
4、ii Miiiui rn batteiy was proposed based on high volage anabg switches and d ififeiental op eiatbnal am p lifers. This circuit was com posed of high volage anabg switch, difife rental am plifer, absolite valie citcuitand AD saiu plhg circuit A batteiy volage in easuie system for 15 cells ii serfes wa
5、s provided with MAX 14852 for high volage anabg switch and N A148U A for dififeiental opeiatbnal am plifer. The experin entaliesuls were anazed. And 1he lesuls show 1hat1his in etiod is precise and sin aH has m iior iifluence on tie batteiy pack, and etc, whfch provides a basfc pieconditbn for preci
6、se equfliiiiiii and SO C estin atbn. This m elhod can be applfed ii eneigy stoiage system , efectrc vehrle, and etc. Key w olds: Lirian batteiy; volage detectbn; high volage anabg m utplexers; dfflfeience am plifer 随着锂离子电池技术的发展，锂离子电池越来越多地被 用于动力、储能等众多新能源领域。而在这些应用中，需要把 几十甚至上百个单体电池 串联起来以达到所需的电压，为了 保证电池
7、组的正常工作，需要对锂离子电池进行安全管理。锂 电池组中单体电池电压、电池温度、总电流的实时监控是安全 管理的重要基础。电池温度和总电流的检测相对比较简单，温 度检测可以采用热敏电阻或者数字温度传感器检测，总电流 检测可以采用霍尔电流传感器或者分流电阻检测。而电池组 单体电池电压的检测，由于电池两端共模电压的存在，不能直 接对电池电压进行直接采样，需要采取其他手段来检测。 1现有的检测方法 锂离子电池组单体电压检测的难点在于如何消除单体电 压两端的共模电压以及减小检测 电路对电池的影响。目前锂 离子电池组单体电压检测方法有以下几种： (1) 飞电容法 1，该方法由一个开关阵列、飞电容、电压跟
8、收 稿日期 :2011-08-16 基金项 目：国家自然 科学基 金资助 （ 21003041) 作者简介： 雷晶晶 （ 1985 ）， 男 ，湖南省人，硕士生 ，主要 研究方 向为动力锂电 池管理 系统。 随电路组成。检测时，首先通过开关阵列让电容与电池连接， 使电容充电，然后断开开关，并使电容与电压跟随电路连接， 对电压跟随电路输出的电压进行采样，即可得到电池电压。这 种方法对电池影响较小，精度也比较高。当电池数量较少时， 可以采用普通的模拟开关，如 CD405X系列。然而当电池数量 较多时，超出了模拟开关的输出范围，可以采用继电器做为开 关，但是受继电器的开关速度和寿命影响，造成检测速度
9、慢， 而且继电压动作的时候有噪声。另外也可以采用光电 MOS继 电器，但由于需要的 MOS继电器数量较大，所以成本较高。 (2) 电阻分压法，也称为共模电压法，电阻分压法的基本思 想是使用精密电阻网络对每一个电池的正极电压进行分压， 通过 AD采样之后，把结果逐一相减，即得到每一个电池的电 压。受电阻精 度影响，这种方法精度比较低，而且容易产生累 积误差。 AD采样的分辨率因为电阻分压而降低。另外由于电 阻网络造成串联电池组中每个电池的静态电流不一样，长期 下去对电池组的一致性影响比较大。一般用于对成本低、精度 要求低的情况下。 (3) 差模电压法，一般采用运放消除电池两端的共模电 压，这种方
10、法目前用的比较多，该方法只能用于电池数量较少 2012.3 Vol36 No.3 332 研宄与设计 ZMZI 的情况 T.且存件漏电流和电阻匹配的问题 .对电池冇一定的 影响如果在前端加人光电继电器势必会增加成本 .如果采用 大童的光电继电器 .成本较高 分立器件法 :文献 51是 -种利用分立器件构诖的电 压-电流转换电路 .该方法存在三极管参数匹和 a漂等问 题 .梢度比较差 R前市场也出现了专用于锂电池钳电 m检 i則的芯片 .如 LTC6802,该芯片最大可以对 12个锂电池进行电压检测，也能 通过级联对 12竹以上的锂电池进行电 m检测 .该芯片使用方 便，应用比较广泛。 图 2
11、模拟开关电路 测 .U1的通道选择信号为 011.输出第 5节电他上的电 1:信 号 ,U2的通道选择信号为 0U.输出第 4节电池上的电床信 2锂电池组单体电池电压检测方法及 硬件设计 我们将探讨一种锂离子电池组箏体电池电压的精确检测 方法，这种方法具冉 _度高、讨电池组影响小 .成本低 J本积小 等特点。 2.1检测原理 图丨是以 15串电池单电压检测系统为例的检测原理框 阁，检测部分由 3部分组成：电池通道选择开关 .差分放大及 绝对值电路 .笮片机 AD采样检测电 J1时， t先通过模拟幵 关选择相应的电池 .经过差分放大器 .消除共模电杻，再经绝 对值处理及滤波，通过 AD采样 .即
12、可得到单体电池的电压 值。 图 1 基子差动运算放大器的电池检测框图 2.2 15串联锂电池组单体电压检测系统设计 在本系统中 .rti于串联锂电池组电池两端的共樓电压比 较高，超出普通模拟开关的工作范围，所以选择 MAXIM公司 的MAX14752 8选 I多路模拟复用器该模拟复用器 nl以支 持 20 72 V的单电源供电，模拟输人范围最高可达 72 V.导 通电阻最高为 120 fh黻止状态漏电流低于 20 nA,可以满足 高甩锂电池组电池通道选择开关的要求为满足丨 5串电池组 的电丨 K检测要求 .在本系统中 .采用了两片 MAX 14752. 片 W于连接奇数竹电池的正极 .一片用于
13、连接偶数节电池的正 极和地模拟开关由电池组供电，通过一个 RC滤波器与 MAX 14752连接 fh于 MAX 14752功耗比较低 .在工作状态下 最大电流为 600 nA,休眠模式 下 M大电流为 25 uA,且每个通 道截止状态下的漏电流低于 20 nA.极大的减少电压检测电路 对电池的影响具体电路如图2所示 ,U1用于对电池 1 7、 9J1 J3， 15 进行选通， U2 用于对电池 2、 4,6,8,10,12、 14 及 GND进行选通如果需要对第 N节 15)进行电 li检 测，选通笫 N节和笫 N 1节电池；当检测第一节电池电压检 测时，则选通电池 I ftlGND假设需要对
14、第 5节电池进行检 号。 为得到电池的实际电压，在模拟开关的后端采用一个高 共模电压输人的差分放大电路原理如图 3所示，拫据运算放 大器的特性 .可以得出： r, RA ( R2 ,r 4 ) I + X - - xFl xF: l心 J l /?+/? 】 心 J 这里取丨 0 R.在不考虑电阻误差 的情况下，即可得到由于运放前端的电阻网络的 分压比为 10: 1.该电路输人电压范围较大 .当电源电压为 12 V时，该电路的共模输人范围可以达到 100 V实际上， 从成本上考虑，电駔无法做到理想的精度 .电阻匹配将成为影 响精度的重要因素，如果电阻匹配不好的话，将会产生较大的 误差为了避免这
15、一问题 .在这里直接采用 T1公司的 1N- A148UA高共模差分运算放大器该运算放大器内部集成了一 个分压比为 20: 1的电阻网络，且这些电阻经过激光校准，精 度极高，不必担心电阻匹配的问题，在 15 V的电源下 .输人 范围可以达到 200 V,且增益误差低于 0.007 5%,共模抑制 比高达 86dB INA148UA的电路设汁参考 INA丨 48UA的典型 电路图，具体电路图 E图 4,由于丨 NA148UA有 5 mV的输入 失调电压 .为了减少误差，所以加入一个偏置电路 由于垂分放大恭揃出会 wm电汰（如丐对弟 8节电他检 测的时候，差分放大器输出的将是第 8节电池电 ffi
16、的负值 1. 所以在差分放大器后端 .加人一个高精度绝对值处理电路 .绝 对值处理的具体电路如 ra 4所示 .绝对值电路的电阻均采用 0.1 %精度的电阻 3 333 2012.3 Vol36 No.3 ZMZZ 研宄与设计 理想状态下， VHW Vy offset。 加入偏移电压offset的 原因于本系统中， AD电压输入范围为 0 3.3 V,而电池电压 有可能超出 AD的采样范围。 offset可以通过一个 CD4051模 拟开关选择、 1.25、 3.3 V三种电压，正常情况下，磷酸铁锂电 池的正常电压范围为 2 3.8 V， offset选择 1.25 V即可，而以 锰酸锂为正极
17、材料的锂电池最高电压达到4.2 V或者更高，在 电池电压较高的时候，需将 offset设为3.3 V。 系统采用 TI公司的 MSP430F149型超低功耗单片机，该 单片机片内集成了 12位 AD转换和参考电压。但是为了提高 精度，采用外置 REF3033参考电压源。为保证系统的稳定性和 可靠性，电源采用三输出 (+15 V，一 15 V， 5 V)隔离电源模块， +15 V和 一 15 V经过 L7812和 L7912稳压电源芯片供给运算 放大器，这样可以极大降低模拟电源的噪声，提高电压检测的 精度。 5V电源供给系统中其他模块，单片机的工作电压为 3.3 V,由稳压电源芯片提供。 为了方
18、便用户观测数据，本系统提供了 RS232串口，可以 与上位机相连。同时系统还具备 CAN总线功能，可以实现系 统级联。 软件采用 C语言编程，电压每秒检测一次，每次检测采样 16次，采样频率为 100 kpbs， 采用定时器触发。检测流程图如 图 5所示。 3实验结果及分析 本次实验采用 15节串联磷酸铁锂电池组，电池容量为 10 Ah,为了更好地观察电压检测结果，特意挑选了 15个电压 不一致的电池。实验结果如表 1所示，电池 1为电池组中最低 端的电池，电池 15是电池组中顶端的电池。 AD采样值为 MSP43F149单片机实际采样的电池电压；模拟前端输出是低 表 1单体电池电压检测数据
19、v 电池 序号 电浊 电压 模拟抑 :丨 .， ， 总误踣 AI) 样值 总 1M差 电池 1 3,221 3.222 0,001 322 0.001 电池 2 3,150 3.149 -Q.001 3.149 -0,001 电池 3 3.222 3.223 0.001 1221 0.001 电池 4 3.229 3,228 0,001 3.228 0侧 屯池 5 3.231 3,232 0,001 3.232 0.001 电池 6 3.193 3.192 0,001 3J92 -0.001 电池 7 3.236 3.237 0.001 1.237 0.001 电池 8 3.234 3*233
20、 0.001 3.233 0.001 电池 9 3.231 3.233 0.002 3.232 0.001 电池 10 3.219 3*217 0.002 -0.00 电池 11 3.186 0.002 3.185 0.001 电池 12 3,183 3.180 0.003 3,181 0.002 电池 13 3.130 3.113 0.003 3132 0.002 电池 M 3.023 3.023 0,000 3,023 0.000 电池 15 3,165 3.168 0.003 3.168 0,003 通滤波器输出的电压值，电池电压为实际电池电压，这两个数 据均由 Agileng34410
21、a 6位半万用表测量，测试温度为 26 C 从单体电压检测结果上可以看出，奇数节电池的模拟前 端总误差 1 3 mV,偶数结的模拟前端总误差总为一 1 一 3 mV。 造成这种奇偶数电池模拟前端误差不一致的原因是 由于绝对值电路的电阻匹配问题。而且，随着电池两端共模电 压的增加，模拟前端的误差随着上升。但是总体来看，模拟前 端总的检测误差为 $3 mV。 图 6为连续检测 20次的结果，可 以看出，电压检测的结果稳定，波动较小。 4结论及应用展望 我们提供了锂离子电池组单体电池电压检测方法，并利 用MAX14752高压模拟开关实现了 15串锂电池组单体电池 电压检测系统，可对 15串及 15串
22、以下的锂电池组进行单体 电压检测，这种方法的模拟前端只需要 2个模块开关， 1个差 分放大器，一个四通道的精密放大器及少量电阻电容，所以可 以做到很小的体积，成本也比较低。实验结果表明，这种方法 具有很高的精度。 该方法用于大容量储能电池组、动力锂电池组等。通过 CAN通信，可以实现系统级联，为数量更多的串联锂电池组提 供单体电压检测。 参考文献： 1 杜祺漳，梁柱扬 .基于飞电容技术的动力锂离子电池组保护系统 J.电子工程师， 2007,33(8): 54-56. 2 李树靖，林凌 .串联电池组电池电压测量方法的研宄 J.仪器仪表 学报， 2003,24(3): 212-215. 3 蒋新华，雷娟 .串联电池组电压测量新方法 J.仪器仪表学报， 2007,28(4)： 734-737. 4 张彩萍，张承宁，李军求 .电动车辆动力电池组电压采集电路设计 J.控制技术， 2007,26(12): 91-93. 5 林佩君，姜久春 .串联电池组电压转换电路的研宄 J.北京工商大 学学报 (自然科学版 )， 2007,25(5): 29-33. 2012.3 Vol36 No.3 334