串联锂离子电池组监测系统的设计方案

每节锂离子电池最高电压为5 V,由图3 可得，第1 个INA117 的3 脚的输入电势最高为40 V.同理，第16 个INA117 的2 脚输入电势最低为- 40 V.第1 至8 个INA117 的输出电压为正，第9 至16 个INA117 的输出电压为负，所以多选一模拟开关和A/D 转换器都要求可以输入正、负电压。多选一模拟开关选用MUX16,为16 选1 可正负电压输入模拟开关，因此16节电池只需1 个MUX16.但由于单片机IO 口有限，文中用一片74LS154 扩展了IO 口，仅用单片机的4 个IO 口即可控制MUX16 分别选通单节锂离子电池进行电压采样。

图3 16 个INA117 的共地点接法

1. 3 A/D 转换器

监测电池组无需用很高的采样速度采样每节电池的电压，16 节电池电压的采样共用1 个A/D 转换器[4]。各节电池输入的测量电压通过多选一模拟开关MUX16 与A/D 转换器连接。根据电池电压的更新周期和电压要求，A/D 转换器传送给单片机的电压转换值误差最大为10 mV.选择美信公司MAX1272.

MAX1272 是具有故障保护、可通过软件选择输入范围的12 位串行模拟数字转换器，使用SPI 三线通信协议，+ 5 V 供电，模拟输入电压范围0 ~ 10 V,0 ~ 5 V,± 10 V,± 5 V.内部自带+ 4. 096 V 参考电压。当采用内部+ 4. 096 V 参考电压时，理想情况下模拟电压输入对应的数字输出，如表1 所示。

表1 理想情况下模拟电压输入对应的数字输出

由表1 可知，MAX1272 输出的数字量最高位是符号位，余下的11 位是数据。负数以补码的形式给出。

参考电压为+ 4. 096 V 时，1LSB = 1. 220 7 mV.

MAX1272 的最大量化误差，加上非线性、失调等误差的影响，总误差约为5 mV.INA117 精度高，正常情况下，误差在1 mV 以内。因此，使用INA117 和MAX1272 的组合，可以满足串联锂离子电池组电池监测系统在电压误差10 mV 以下的要求。需要更高的电压精度，需要选用更高分辨率的A/D 转换器。

MAX1272 的线路连接图如图4 所示。

图4 MAX1272 的线路连接图

图4 中MAX1272 采用了内部参考电压，6 脚VREF 和地之间接2. 2 μF 钽电容和0. 1 μF 陶瓷电容。

PCB 布线时，这两个电容都要求尽量接近MAX1272。

1. 4 温度监测

针对串联电池组，传统的测温方法多采用模拟温度传感器进行测量，在数据的采集和传输过程中易受外界环境的干扰，从而使测得的结果误差较大，且当测量点较多时，连线较复杂。文中采用单片机和单总线数字式温度传感器DS18B20 来解决上述问题[5].其原理如图5 所示。

图5 温度巡回检测系统框图

采用外部5 V 供电，总线上可挂接多片DS18B20,且可以同时进行精确的温度转换，而无需外接驱动电路。测温范围- 55 ~ + 125 ℃; 测温精度： 在- 10 ~+ 85 ℃范围内的精度为± 0. 5 ℃; 在温度采集过程中，单片机芯片需对DS18B20 发命令字，同时也需要读取由DS18B20 采集到的温度。因此，单片机控制器的I /O必须被设置为具有双向传输数据能力。

本检测系统每隔一节锂离子电池在总线上挂接一片DS18B20,设置8 个温度监测点，同时检测8 点温度。实际应用时由单片机软件判断出需要显示的温度值： 当温度高于10 ℃时，显示8 个温度点中最高的温度值; 当温度低于10 ℃时，显示8 个温度点中最低的温度值，达到有效合理的温度监控效果。