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串联电池 电压检测电路的精度研究
1 引言
串联电池组广泛应用于手携式工具、笔记本电脑、通讯电台以及便携式电子设备、航天卫星、电动自行车、电动汽车、储能装置中。为了使电池组的可用容量最大化及提高电池组的可靠性,电池组中的单体电池性能应该一致,从而需对单体电池进行监控,即需要对单体电池的电压进行测量。
串联电池组电压测量的方法有很多,目前应用较多的是差分检测型[1]与电流源检测型[2]两种。差分检测型需要2个电阻对的阻值严格匹配,否则将影响电池组电压的检测精度,该方法使用中为了减少检测线漏电流对电池组一致性的影响[3],需要增加电阻的阻值,这样将增加了大规模生产的难度并降低了检测精度。而电流检测型的检测电路中仅需要一个电阻对的阻值匹配,文献[2]中提到为了提高检测的精度,需要小阻值的电阻匹配,但增大了检测线漏电流。在实际使用过程中为了减小检测线漏电流对电池组一致性的影响,以及减少电压检测电路的功耗,需要在电压检测线路上增加开关控制器件,往往采用光耦或者光电继电器[4]。
文献[2]的电流型电压检测电路具有较好的性能,但当电压低于2V时无法进行检测,本文首先对文献[2]的电压检测电路进行了改进,扩大了电压检测范围。其次以改进的电压检测电路并以光电继电器作为控制开关,对影响电压检测精度的因素进行了分析和实验,最后通过一种电子开关的方式来取代光电继电器,从而提高了电压检测精度。
2 影响电压测量精度的因素分析
文献[2]中的电流型电压检测电路测量精度高,但也存在着一定的缺陷,首先为了测量精度高,必须尽可能的减小电阻对的阻值,这必然增加了检测电路的漏电流;其次为了满足电路中的MOSFET管能正常作用,电路中运放的反向输入端与系统地之间的电压一般要大于3V以上,由于单体电池电压一般在2.0V~4.2V之间,因此为了满足要求必须用于两节单体电池以上,对于电池组中靠近系统地的两节单体电池无法用此方法进行测量。
本文采用了三极管Q1来取代文献[2]中的MOSFET,主要是因为MOSFET的开启电压一般都在2.5V以上,因此当单体电池电压低于2.5V时,文献[2]中的电路将无法检测,而电池的电压检测范围要求检测到1V以下,而改进后的电路能满足这种需求,如图1所示。
图1 电流源型电压检测电路
图中CELLn为第n节单体电池的电压,该电路可以对多串电池组的电压进行测量,并且不受串联节数的限制,而对串联电池组中的第一节单体电压不用采用该电路测量,可直接测量或者通过电阻分压得到。该电路的工作原理如下:在电路正常工作时,运放处于放大状态,运放的1、3脚为虚短虚断状态,即3脚的电压等于CELLn+1端的电压,而由于运放的输入阻抗非常大,因此电阻R3上的电流可忽略,在电阻R1上就是一节单体电池的电压,流过电阻R1的电流大小为:
I=(VCELLn+1-VCELLn+2)/R1 (1)
同时,三极管Q1的发射极到基极的电流相对于发射极到集电极的电流可以忽略,于是第n+2 节单体电池的电压为:
CELLn+2_V=I*R2=(VCELLn+1-VCELLn+2)R2/R1 (2)
由于本文实验中采用的采样电路参考电压为2.5V,因此需要把电池电压进行2倍衰减,所以选择了R1=2R2,电路中电容C1为去耦电容,电阻R5为限流电阻,电阻R4用于保证电路可靠工作,为了减少电压检测电路的漏电流,在每节单体电池电压检测线上加入AQW216光电继电器作为检测控制开关,如图2所示,当需要检测电池电压时,通过控制端打开光电继电器,检测完关闭光电继电器,可有效减少检测时的漏电流对电池组一致性的影响。
图2 电压测量电路原理图
3 实验
就以上改进型的电流型电压检测电路和光电继电器对1V~5V检测范围内的电压采取了几个采样点的检测,检测结果如表1所示,可以看出检测值与实际测量值存在着一定的偏差。
表1 电压测量误差表
来源:仪器仪表学报