便携式串联电池组电压检测系统的研究与设计

1 引言

串联电池组广泛应用于通讯电台、便携式电子设备、航天卫星、电动白行车、电动汽车及 UPS等领域。通常电池组中的单体电池的性能直接影响到电池组的整体性能，为了提高电池组的可靠性，其单体电池性能应该保持一致。对于重要设备，需要经常在线监控所有单体电池，即测量单体电池电压。

测量单体电池电压的方法有多种，最简单的是用电阻分压方式测量：依次测量各串联节点的电压，由于所测电压是总电压，单体电池电压只占一部分，则测量精度按比例降低；另一种测量方法是每一个单体电池采用一个隔离运算放大器，这种运算放大器可把电池电压转换为统一参考地电压，而且避免了由电阻分压造成的漂移误差和漏电流等问题，但是体积大且价格高，仅适合于那些测量精度要求高且不考虑漏电流和成本的场合。另外，第三种方法是采用继电器阵列选择进行测量，该方法控制开关复杂。而目前电压测量应用较多的是运算放大器差分放大法及直接采样法，但这些方法都存在电路复杂，体积大的缺点，运用于那些对体积和重量有要求的领域则有一定的局限性。因此，这里提出一种采用普通光耦代替线性光耦的测量方法，以C8051F410嵌入式单片机为核心的便携式串联电池组电压检测系统。

2 系统工作原理

便携式串联电池组电压检测系统由电池电压转换电路、C8051F410单片机和LCD液品显示器组成，如图1所示。



2．1 电池电压转换原理

电池电压转换电路如图2所示，该转换电路是南普通光耦TLP521-1和运算放大器A1组成，电阻Rb为采样电阻，电容Cn用来提高抗干扰能力。





图2中，光耦选择TLP521-1，运算放大器选择LM324，输入电阻取Ra=5 kΩ，采样电阻Rb=1 kΩ，实验曲线如图3所示。标准电压取安捷伦34401测量数值。



系统采用嵌入式单片机C8051F410。该器件采用高速8051μC内核，运行速度最高达50 Mi／s，最大程度地减少功耗和电磁辐射，提高系统的抗干扰能力；内置零误码率的12位A／D转换器，采样速率可达200 kS／s，最大为24路A/D转换电路输入端口，简化外围A／D转换通道切换控制电路，实现高准确度的模拟量采样；在节电模式下，典型电流小于1μA，在 32 kHz下工作电流仅16μA。基于以上特点，采用C8051F410型单片机作为系统的核心，简化系统信号采样和采样通道控制电路的设计，减小系统体积。采用图2所给出的电路转换21节电池电压。而系统的液晶显示电路采用LCD低功耗驱动器PCF8563，I2C总线接口，连线简单可靠。



3 试验数据

在电压测量实验中，Ra=5 kΩ，Rb=5 kΩ，运算放大器选LM324，对比参考测试设备为安捷伦34401(直流电压测试精度为0．001 V)。由10节电池组成的电池组进行测试，表1为系统测试电压对比，图5为测量误差。由表1和图5可得出，12 V电池组系统测量误差小于0．1％。



4 结论

经理论分析与实验验证，该电池监测系统具有优点：(1)用价格低廉的普通光耦测量电池组单个电池能满足系统精度要求，可节约90％的器件成本，同时简化电路设计；(2)由于光耦的隔离电压较高，该系统的串联电池电压的测量范同可达2 000 V，比继电器的耐压高3"5倍；(3)采用嵌入式C8051F410单片机，南于允许直接输入多达24路模拟信号，测量电路简单，体积小。

综上所述，系统实现了由普通光耦代替线性光耦的高精度应用，实现用低成本的电路解决高精度大量程电压的测量问题。体积小、重量轻和成本低的特点使系统在实现电池组检测设备便携式的应用方面有着良好的应用前景。