动力电池单体电压采集方法

电池单体电压采集是动力电池组管理系统中的重要一环，其性能好坏或精度高低决定了系统对电池状态信息判断的准确程度，并进一步影响了后续的控制策略能否有效实施。常用的单体电压检测方法有5种：

（1）继电器阵列法

组成：端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光耦、多路模拟开关。

应用特点：适合在所需测量的电池单体电压较高而且对精度要求也较高的场合使用。

图5.3所示为基于继电器列阵法的电池电压采集电路原理图。其由端电压传感器、继电器阵列、A/D转换芯片、光耦、多路模拟开关等组成。如果需要测量n块串联成组电池的端电压，就需要将n+1根导线引到电池组中各节点。当测量第m块电池的端电压时，单片机发出相应的控制信号，通过多路模拟开关、光耦合继电器驱动电路选通相应的继电器，将第m和m+1根导线引到A/D转换芯片。通常开关器件的电阻都比较小，配合分压电路之后，由于开关器件的电阻所引起的误差几乎可以忽略不计，而且整个电路结构简单，只有分压电阻和模数转换芯片还有电压基准的精度能够影响最终结果的精度，通常电阻和芯片的误差都可以做得很小。所以，在所需要测量的电池单体电压较高而且对精度要求也较高的场合最适合使用继电器阵列法。

图5.3　基于继电器列阵法的电池电压采集电路原理图

（2）恒流源法

组成：运算放大器和场效应管组合构成减法运算恒流源电路。

应用特点：结构较简单，共模抑制能力强，采集精度高，具有很好的实用性，恒流源法的基本原理是在不使用转换电阻的前提下，将电池端电压转化为与之呈线性变化关系的电流信号，以此提高系统的抗干扰能力。在串联电池组中，由于电池端电压也就是电池组相邻两节点间的电压差，故要求恒流源电路具有很好的共模抑制能力，一般在设计过程中，多选用集成运算放大器来达到此种目的。出于设计思路和应用场合的不同，恒流源电路会有多种不同形式，图5.4所示即为其中一种，它是由运算放大器和绝缘栅型场效应晶体管组合构成的减法运算恒流源电路。

图5.4　运算放大器和绝缘栅型场效应晶体管组合构成的减法运算恒流源电路

（3）隔离运放采集法

组成：隔离运算放大器、多路选择器等。

应用特点：系统采集精度高，可靠性强，但成本较高。

隔离运算放大器是一种能够对模拟信号进行电气隔离的电子元件，广泛用作工业过程控制中的隔离器和各种电源设备中的隔离介质。一般由输入和输出两部分组成，二者单独供电，并以隔离层划分，信号经输入部分调制处理后经过隔离层，再由输出部分解调复现。隔离运算放大器非常适合应用于电池单体电压采集电路中，它能将输入的电池端电压信号与电路隔离，从而避免外界干扰而使系统采集精度提高，可靠性增强。

图5.5所示为隔离运算放大器在600 V动力电池组管理系统中的应用，其中共有50块额定电压为12 V的水平铅酸电池，其端电压被隔离运放电路逐一采集。ISO 122是美国BB公司采用滞回调制-解调技术设计的隔离放大器，采用精密电容耦合技术和常规的双列式DP封装技术。ISO 122的输入和输出部分分别位于壳体两边，中间用两个匹配的1 pF电容形成隔离层，其额定隔离电压大于1 500 V（交流60 Hz连续），隔离阻抗大，并且具有高的增益精度和线性度，从而满足了实际应用要求。从图5.5中不难发现，ISO 122的输入部分电源就取自动力电池组中，输出部分电源则出自电路板上的供电模块，电池端电压经两个高精密电阻分压后输入运放，与之呈线性关系的输出信号经多路复用器后交单片机控制电路处理。需要说明，在第50块电池的端电压采集电路中，一个反向器被加在隔离运放电路后，用于将输出信号由负变为正。还应指出，隔离运放采集电路虽然性能优越，但是较高的成本影响了其广泛应用。(www.xing528.com)

图5.5　隔离运算放大器在600 V动力电池组管理系统中的应用

（4）压/频转换电路采集法

组成：压/频转换器、选择电路和运算放大电路。

应用特点：压控振荡器中含有电容器，电容器的相对误差一般都比较大，而且电容越大相对误差也越大。

当利用压频转换电路实现电池单体电压采集功能时，压/频变换器的应用是关键，它是把电压信号转换为频率信号的元件，具有良好的精度线性度和积分输入等特点。

图5.6所示为压/频转换器LM331用作高精度压/频转换的电路原理图，LM331是美国FS公司生产的高性价比集成芯片，它采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围以内和电源电压低到4.0 V时都有极高的精度。

该采集方法中，电压信号直接被转换为频率信号，随即就可以进入单片机的计数器端口进行处理，而不需AD转换。此外，为了配合压/频转换电路在电池单体电压采集系统中的应用，相应的选择电路和运算放大电路也需加以设计，以实现多路采集的功能。这种方法所涉及的元件比较少，但是压控振荡器中含有电容器，而电容器的相对误差一般都比较大，而且电容越大相对误差也越大。

图5.6　压/频转换器LM331用作高精度压/频转换的电路原理图

（5）线性光耦合放大电路采集法

应用特点：线性光耦合放大电路不仅具有很强的隔离能力和抗干扰能力，还具有使模拟信号在传输过程中保持较好线性度的特性，但电路相对较复杂，精度影响因素较多。

基于线性光耦合器件的电池单体电压采集电路实现了信号采集端和处理端之间的隔离，从而提高了电路的稳定性与抗干扰能力。图5.7所示为线性光耦元件TIL300由一个利用红外LED照射而分叉配置的隔离反馈光二极管和一个输出光二极管组成，并采用特殊工艺技术来补偿LED时间和温度特性的非线性，使输出信号与LED发出的伺服光通量呈线性比例。TIL300具有3 500 V的峰值隔离度，带宽大于200 kHz，适合直流与交流信号的隔离放大，并且输出增益稳定度为±0.05%/℃。基于线性光耦合放大电路的应用特点，可将其与继电器阵列或选通电路配合应用于多路采集系统中，但其电路相对较复杂，影响精度的因素较多。

图5.7　基于线性光耦合元件TIL300的电池单体电压采集电路原理图