便攜式串聯(lián)電池組電壓檢測系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　串聯(lián)電池組廣泛應(yīng)用于通訊電臺、便攜式電子設(shè)備、航天衛(wèi)星、電動白行車、電動汽車及 UPS等領(lǐng)域。通常電池組中的單體電池的性能直接影響到電池組的整體性能，為了提高電池組的可靠性，其單體電池性能應(yīng)該保持一致。對于重要設(shè)備，需要經(jīng)常在線監(jiān)控所有單體電池，即測量單體電池電壓。

　　測量單體電池電壓的方法有多種，最簡單的是用電阻分壓方式測量：依次測量各串聯(lián)節(jié)點(diǎn)的電壓，由于所測電壓是總電壓，單體電池電壓只占一部分，則測量精度按比例降低；另一種測量方法是每一個(gè)單體電池采用一個(gè)隔離運(yùn)算放大器，這種運(yùn)算放大器可把電池電壓轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一參考地電壓，而且避免了由電阻分壓造成的漂移誤差和漏電流等問題，但是體積大且價(jià)格高，僅適合于那些測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場合。另外，第三種方法是采用繼電器陣列選擇進(jìn)行測量，該方法控制開關(guān)復(fù)雜。而目前電壓測量應(yīng)用較多的是運(yùn)算放大器差分放大法及直接采樣法，但這些方法都存在電路復(fù)雜，體積大的缺點(diǎn)，運(yùn)用于那些對體積和重量有要求的領(lǐng)域則有一定的局限性。因此，這里提出一種采用普通光耦代替線性光耦的測量方法，以C8051F410嵌入式單片機(jī)為核心的便攜式串聯(lián)電池組電壓檢測系統(tǒng)。

　　2 系統(tǒng)工作原理

　　便攜式串聯(lián)電池組電壓檢測系統(tǒng)由電池電壓轉(zhuǎn)換電路、C8051F410單片機(jī)和LCD液品顯示器組成，如圖1所示。

　　2．1 電池電壓轉(zhuǎn)換原理

　　電池電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2所示，該轉(zhuǎn)換電路是南普通光耦TLP521-1和運(yùn)算放大器A1組成，電阻Rb為采樣電阻，電容Cn用來提高抗干擾能力。

　　圖2中，光耦選擇TLP521-1，運(yùn)算放大器選擇LM324，輸入電阻取Ra=5 kΩ，采樣電阻Rb=1 kΩ，實(shí)驗(yàn)曲線如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)電壓取安捷倫34401測量數(shù)值。

　　系統(tǒng)采用嵌入式單片機(jī)C8051F410。該器件采用高速8051μC內(nèi)核，運(yùn)行速度最高達(dá)50 Mi／s，最大程度地減少功耗和電磁輻射，提高系統(tǒng)的抗干擾能力；內(nèi)置零誤碼率的12位A／D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)200 kS／s，最大為24路A/D轉(zhuǎn)換電路輸入端口，簡化外圍A／D轉(zhuǎn)換通道切換控制電路，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的模擬量采樣；在節(jié)電模式下，典型電流小于1μA，在 32 kHz下工作電流僅16μA?；谝陨咸攸c(diǎn)，采用C8051F410型單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心，簡化系統(tǒng)信號采樣和采樣通道控制電路的設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)體積。采用圖2所給出的電路轉(zhuǎn)換21節(jié)電池電壓。而系統(tǒng)的液晶顯示電路采用LCD低功耗驅(qū)動器PCF8563，I2C總線接口，連線簡單可靠。

　　3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　在電壓測量實(shí)驗(yàn)中，Ra=5 kΩ，Rb=5 kΩ，運(yùn)算放大器選LM324，對比參考測試設(shè)備為安捷倫34401(直流電壓測試精度為0．001 V)。由10節(jié)電池組成的電池組進(jìn)行測試，表1為系統(tǒng)測試電壓對比，圖5為測量誤差。由表1和圖5可得出，12 V電池組系統(tǒng)測量誤差小于0．1％。

　　4 結(jié)論

　　經(jīng)理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該電池監(jiān)測系統(tǒng)具有優(yōu)點(diǎn)：(1)用價(jià)格低廉的普通光耦測量電池組單個(gè)電池能滿足系統(tǒng)精度要求，可節(jié)約90％的器件成本，同時(shí)簡化電路設(shè)計(jì)；(2)由于光耦的隔離電壓較高，該系統(tǒng)的串聯(lián)電池電壓的測量范同可達(dá)2 000 V，比繼電器的耐壓高3~5倍；(3)采用嵌入式C8051F410單片機(jī)，南于允許直接輸入多達(dá)24路模擬信號，測量電路簡單，體積小。

　　綜上所述，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由普通光耦代替線性光耦的高精度應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)用低成本的電路解決高精度大量程電壓的測量問題。體積小、重量輕和成本低的特點(diǎn)使系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)電池組檢測設(shè)備便攜式的應(yīng)用方面有著良好的應(yīng)用前景。