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串聯(lián)電池組電壓檢測電路的精度研究

發(fā)布時間:2012-01-30

中心議題:

  • 串聯(lián)電池組電壓檢測電路的精度研究
  • 影響電壓測量精度的因素分析
  • 電流型電壓檢測電路的改進和采樣檢測

解決方案:

  • 改進電流型電壓檢測電路


1 引言

串聯(lián)電池組廣泛應用于手攜式工具、筆記本電腦、通訊電臺以及便攜式電子設備、航天衛(wèi)星、電動自行車、電動汽車、儲能裝置中。為了使電池組的可用容量最大化及提高電池組的可靠性,電池組中的單體電池性能應該一致,從而需對單體電池進行監(jiān)控,即需要對單體電池的電壓進行測量。

串聯(lián)電池組電壓測量的方法有很多,目前應用較多的是差分檢測型與電流源檢測型兩種。差分檢測型需要2個電阻對的阻值嚴格匹配,否則將影響電池組電壓的檢測精度,該方法使用中為了減少檢測線漏電流對電池組一致性的影響,需要增加電阻的阻值,這樣將增加了大規(guī)模生產的難度并降低了檢測精度。而電流檢測型的檢測電路中僅需要一個電阻對的阻值匹配,為了提高檢測的精度,需要小阻值的電阻匹配,但增大了檢測線漏電流。在實際使用過程中為了減小檢測線漏電流對電池組一致性的影響,以及減少電壓檢測電路的功耗,需要在電壓檢測線路上增加開關控制器件,往往采用光耦或者光電繼電器

電流型電壓檢測電路具有較好的性能,但當電壓低于2V時無法進行檢測,本文首先對電流型電壓檢測電路進行了改進,擴大了電壓檢測范圍。其次以改進的電壓檢測電路并以光電繼電器作為控制開關,對影響電壓檢測精度的因素進行了分析和實驗,最后通過一種電子開關的方式來取代光電繼電器,從而提高了電壓檢測精度。

2 影響電壓測量精度的因素分析

電流型電壓檢測電路測量精度高,但也存在著一定的缺陷,首先為了測量精度高,必須盡可能的減小電阻對的阻值,這必然增加了檢測電路的漏電流;其次為了滿足電路中的MOSFET管能正常作用,電路中運放的反向輸入端與系統(tǒng)地之間的電壓一般要大于3V以上,由于單體電池電壓一般在2.0V~4.2V之間,因此為了滿足要求必須用于兩節(jié)單體電池以上,對于電池組中靠近系統(tǒng)地的兩節(jié)單體電池無法用此方法進行測量。

本文采用了三極管Q1來取代電流型電壓檢測電路中的MOSFET,主要是因為MOSFET的開啟電壓一般都在2.5V以上,因此當單體電池電壓低于2.5V時,電流型電壓檢測電路將無法檢測,而電池的電壓檢測范圍要求檢測到1V以下,而改進后的電路能滿足這種需求,如圖1所示。


圖1 電流源型電壓檢測電路

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圖中CELLn為第n節(jié)單體電池的電壓,該電路可以對多串電池組的電壓進行測量,并且不受串聯(lián)節(jié)數(shù)的限制,而對串聯(lián)電池組中的第一節(jié)單體電壓不用采用該電路測量,可直接測量或者通過電阻分壓得到。該電路的工作原理如下:在電路正常工作時,運放處于放大狀態(tài),運放的1、3腳為虛短虛斷狀態(tài),即3腳的電壓等于CELLn+1端的電壓,而由于運放的輸入阻抗非常大,因此電阻R3上的電流可忽略,在電阻R1上就是一節(jié)單體電池的電壓,流過電阻R1的電流大小為:
I=(VCELLn+1-VCELLn+2)/R1 (1)

同時,三極管Q1的發(fā)射極到基極的電流相對于發(fā)射極到集電極的電流可以忽略,于是第n+2 節(jié)單體電池的電壓為:
CELLn+2_V=I*R2=(VCELLn+1-VCELLn+2)R2/R1 (2)

由于本文實驗中采用的采樣電路參考電壓為2.5V,因此需要把電池電壓進行2倍衰減,所以選擇了R1=2R2,電路中電容C1為去耦電容,電阻R5為限流電阻,電阻R4用于保證電路可靠工作,為了減少電壓檢測電路的漏電流,在每節(jié)單體電池電壓檢測線上加入AQW216光電繼電器作為檢測控制開關,如圖2所示,當需要檢測電池電壓時,通過控制端打開光電繼電器,檢測完關閉光電繼電器,可有效減少檢測時的漏電流對電池組一致性的影響。


圖2 電壓測量電路原理圖

3 實驗

就以上改進型的電流型電壓檢測電路和光電繼電器對1V~5V檢測范圍內的電壓采取了幾個采樣點的檢測,檢測結果如表1所示,可以看出檢測值與實際測量值存在著一定的偏差。


表1 電壓測量誤差表

根據(jù)分析可知,電壓檢測的誤差主要分為以下幾個部分:(1)光電繼電器AQW216上的壓降;(2)電壓檢測電路的偏差;(3)采樣系統(tǒng)的偏差,主要包括基準源的電壓偏差以及采樣誤差。

(1)光電繼電器的誤差。光電繼電器的特性,受溫度和導通內阻的影響都較多,為了驗證光電繼電器導致的測量誤差,在不同溫度調節(jié)下對光電繼電器和電壓檢測電路進行了實驗,在光電繼電器上壓降如圖3所示,可以看出測試電壓越高,光電繼電器上的壓降越大,最大差異約6mV左右,而溫度越高,壓降也越大,最大差異約7mV左右。


圖3 不同溫度下光耦壓降圖

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(2) 電壓檢測電路的誤差。電壓檢測電路中的誤差主要來自于電阻對的偏差以及三極管的偏差。對電壓檢測電路在不同溫度下的放大倍數(shù)進行了實驗,結果如圖4所示。


圖4 電壓檢測電路放大倍數(shù)不同溫度對照圖

(3) 采樣系統(tǒng)的測量誤差。由于采樣系統(tǒng)存在著一定的采樣偏差,可以通過一些軟件濾波來減小,本實驗中已經(jīng)采用的是中值濾波,即對同樣的值連續(xù)采樣10次,去掉最大值和最小值,再取平均,不同溫度下的采樣誤差如圖5所示。


圖5 不同溫度下采樣電路誤差圖

4 實驗結果和分析

通過上述的實驗結果可知,在常溫工作中影響電池組電壓檢測精度的主要因素是光電繼電器,而在不同溫度下影響檢測精度的主要因素是光電繼電器和采樣系統(tǒng)的偏差。可以看出光電繼電器是影響電壓檢測精度的主要因素,而在實際應用中這部分往往被忽視,而僅僅關注于電壓檢測電路的誤差,從而造成了測量精度的較大偏差。

光電繼電器部分的檢測誤差不僅隨著溫度變化,同時也隨著被測量的電壓值變化,從圖3中可以看到,同一測量溫度下,1V與4V的被測量電壓之間的測量誤差達到12mV。從圖5中可以看到,而采樣系統(tǒng)的誤差僅僅同溫度有關,而與被測量電壓值無關。
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可以看出采樣系統(tǒng)的誤差相對于常溫,高溫和低溫的偏向為同一方向,因此無法用直線擬合,可以通過溫度分段解決。電壓檢測電路部分的誤差也可以通過校正來減少,而光電繼電器部分的誤差較大,可以通過電子開關來取代,如圖6所示,而且光電繼電器的導通和關斷時間都較長,一般都需要保證在0.5mS以上,因此一次采樣中僅光電繼電器的控制時間就達到1ms,影響了采樣的速度,而采用了電子開關后導通和關斷的時間都非??欤纱蠓岣卟蓸拥乃俣?,圖6中由于MOSFET管M1的源柵極最大電壓一般在20V,而電池組中很多單體電池電壓相對于電池組的地已經(jīng)超過了20V,電阻R7、R8和R9通過分壓來保證M1的安全,在實際使用中,為了提高系統(tǒng)的可靠性,防止由于電阻R7、R8的虛焊或者漏焊導致M1被擊穿,電阻R7、R8一般采用并聯(lián)的方式。


圖6 電子開關原理圖

通過以上的措施后,并在實驗數(shù)據(jù)處理中,采用溫度分段模式,用來校正電壓檢測電路以及采樣系統(tǒng)的誤差,可提高電壓檢測的精度,實驗結果表明常溫下實際電壓測量誤差小于5mV。

5 結論

本文通過對電壓檢測電路中的電流源型電路進行有效改進,并通過實驗來分析導致電壓檢測誤差的因素,結果顯示光電繼電器是一個主要的影響因素。因此通過一種簡單實用的電子開關來取代光電繼電器,并通過溫度分段校正來減少電壓檢測電路和采樣系統(tǒng)的誤差,從而大幅提高了電壓檢測的精度。本文的提出的檢測電路簡單,成本低,測量精度高,具有很好的實用價值。

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