基于LabVIEW 与DSP的锂电池组监测系统分离电路设计

钱永明，张爱辉，马苏扬，廖 萍

(1.南通大学机械工程学院，江苏南通226019；2.南通全技纺织涂层有限公司，江苏南通226019)

锂电池是二十世纪发展起来的一种二次电池，具有能量密度高、功率密度高等优点[1]。随着其技术的发展，越来越多地被应用于动力、储能等领域。在实际应用中，为满足额定电压，需要将几节甚至上百节锂电池串联起来形成电池组。但由于生产过程中制造误差的存在，锂电池组中各单体的内部特性难以完全一致，致使锂电池组充放电时，某些单体锂电池出现过充或过放现象，缩短了其使用寿命[2]。目前解决这一问题的方法是在锂电池组内设置在线监测系统。

国外对于锂电池在线监测系统的研制已基本成熟，最具代表性的Smart Guard 和BADICHEQ 系统已被应用于电动汽车锂电池组的在线管理当中[3]。此外，国外一些厂家推出了许多锂电池的监测与管理芯片，其中美信公司与美国德州仪器(TI)居于领先地位[4]。国内对于锂电池组监测系统的研制处于起步阶段，清华大学、天津大学、北京中天荣泰科技公司等科研院校与企业进行了相关的研究工作，取得了初步的成果[5-6]。国外的电池组监测系统价格一般相当昂贵，为了研制出价格合理、监测效果好的电池组监测系统，提出基于LabVIEW与DSP 锂电池组在线监测系统。

1 锂电池组在线监测系统设计方案

图1 是锂电池组在线监测系统的设计方案。电池组工作时，各热电偶测量出温度信号，信号通过MAX6675 的转化处理，送入DSP 中处理，DSP 将处理后的温度信号通过USB-CAN 接口卡送到LabVIEW 中进行进一步处理并显示，电池温度不在合理工作范围内时，LabVIEW 发出警报；收集各单体电池温度信号的同时，分离电路分离出单体电池的电压信号，分离出的电压信号经A/D 转换后送入DSP 中进行处理，DSP 将初步处理后的电压信号送入LabVIEW 中进行进一步处理，显示各单体电池的电压、SOC(与电压存在某种函数关系)等参数，当单体电池出现过充或过放时，LabVIEW 发出警报。整个系统中，分离电路是极为关键的一个模块，监测系统的检测精度及制造成本与分离电路紧密相关，应设计出一种分离精度高、价格适中的分离电路。

图1 锂电池组在线监测系统方案图

2 单体电池电压分离电路设计

2.1 常用电压分离电路特性分析

电阻分压式分离电路，电路中电阻的漏电流及电阻的漂移误差使电路分离出的电压精度较低；该电路还会使电池组的一致性受到较大影响。采用分离运算放大器设计的电压分离电路，是另一种常用的分离电路[7]，该电路分离出的电压信号精度高，但体积大，并且生产成本高。在设计用基于DS2762锂电池组电量采集装置的分离电路时，应从分离精度、生产成本两个方面来考虑。综合考虑这两方面的因素设计了一种新型的电压分离电路。

2.2 新型电压分离电路设计

针对DS2762 芯片的特点，设计了一种电路简单、精度较高的电压分离电路，图2 为分离电路的基本原理图。该电压分离电路由一个P 型MOSFET 管Q1、一个运算放大器A1 及三个电阻组成[7]。

当电路工作时，若运算放大器反向输入端的电压大于正向输入端的电压，则输出为低电平，从而使MOSFET 管源极和栅极的电压差大于开启电压，开始导通；R3 会分去运算放大器的反向输入端的一部分电压，这样运算放大器的正向输入端会大于其反向输入端，因而输出电压上升，平衡后，运算放大器的反向输入端的电压和正向输入的电压相等，即达到电压分离的目的。

2.3 最优电阻选择

图2 所示的电压分离电路中，R1 的大小对电压分离电路的分离精度影响较小，A1、Q1 确定后分离电路的分离精度的高低主要取决于R2 与R3 的阻值(其中R2=R3)。当R2、R3 的阻值过小时电路的分离精度较低，阻值过大时功耗太大且分离精度很低，因而存在较优的阻值。为了使电量采集装置的采集精度较高，应使R2、R3 处于最优值。

图2 单体锂电池电压分离电路原理图

基于Proteus 软件选R2、R3 的最优值，具体步骤如下：(1)选定R1=20 kΩ(E-96 系列电阻)、A1 的型号为LM324(用其上面的一些引脚)、Q1 的型号为PMOSFET;(2)在Proteus 软件中画出分离电路的电路图;(3)不断改变R2、R3 阻值的大小仿真分离出的电压大小。R2、R3 的阻值太小时电路的分离精度较低，电阻太大时功耗太大。综合这些因素，从R2、R3=1 kΩ 时开始对电路的分离精度进行仿真，当R2=R3=8.06 kΩ 时停止对电路的仿真(取这个范围内的每一个阻值)。

一般情况下锂电池的充电截止电压是4.2 V，工作电压是3.7 V，放电截止电压是3.0 V，主要仿真在这三种工作状态下电压分离电路的分离精度。图3～5 分别为电池电压为4.2、3.7、3.0 V 时阻值不同时的仿真误差图，横坐标表示的是阻值，纵坐标表示的是仿真误差。仿真误差由式(1)给出的公式算出，这里的仿真误差指的是分离得出的电压值的相对误差的绝对值。

图3 充电截止状态（4.2V）时电压分离电路的仿真误差图

图4 正常工作状态（3.7V）时电压分离电路的仿真误差图

图5 放电截止状态（3.7V）时电压分离电路的仿真误差图

由图3～5 可以得出：(1)仿真误差随着电阻的增大先减小，减小到最小值后，仿真误差又会随着电阻的增大而增大；(2)由图3～5，可知：R2、R3 的阻值在3 kΩ 左右时，电路在各种状态下的分离误差均达到较小的水平；(3)R2、R3=3.16 kΩ 时分离电路的分离误差能控制在0%～0.4%内，达到了比较理想的分离精度，为设计电池组的电压分离电路提供了电阻参考值。

3 锂电池组电压分离电路的设计及仿真

3.1 锂电池组的电压分离电路设计

6 节锂电池组串联获得的电池组在实际的应用场合应用较多，下面以分离6 节电池组的分离电路为例，介绍锂电池组电压分离电路的设计及仿真。图6 为电池组电压分离电路的原理图。

图6 六节锂电池组成的锂电池组的电压分离电路原理图

为了提高电路的稳定性，采用LM324(四集成运放集成电路)来设计分离电路；为了降低电路的复杂程度，第二节锂电池的电压用电阻分压的方式来分离，Q1～Q4 为P 型MOSFET管。电路中R9、R10=100 kΩ，R13=787 Ω，其它电阻的大小均为3.16 kΩ。电池组分离电路的设计基础为图2 所示的单体锂电池电压分离电路，以此为基础理论上可设计任意节经串联而成的电池组的分离电路。

3.2 锂电池组分离电路的仿真

基于Proteus 软件对电路进行仿真，假定各单体电池处于电截止状态(4.2 V)、工作状态(3.7 V)或放电截止状态(3.0 V)。表1、表2、表3 为仿真结果及仿真的数据处理。这里的仿真误差由式(1)所表示的公式算出。

表1 充电截止状态（4.2 V）锂电池组电压分离电路仿真数据及数据处理

表2 正常工作状态（3.7 V）锂电池组电压分离电路仿真数据及数据处理

表3 放电截止状态（3.0 V）锂电池组电压分离电路仿真数据及数据处理

由表1 知：5 号锂电池两端的电压经分离电路分离后，相对误差绝对值达最大，为0.378 6%；由表2 知：5 号锂电池两端的电压经分离电路分离后，相对误差绝对值最大，为0.378 4%；由表3 知：5 号锂电池两端的电压经分离电路分离后，相对误差绝对值最大，为0.380 0%。通过分析表1～3，发现5 号电池两端电压在3 种情况下分离，所得的相对误差绝对值均为最大，但均在0.4%内，达到了较高的分离精度。

实际应用中，由于单体电池内部特性不同，各节电池电压的大小会有微小差异。在电池组三种工作状态各电池的电压大小有差异时，运用Proteus 软件对电池组的电压分离电路进行仿真，仿真电池组充电截止、正常放电、放电截止三个状态。表4～6 为仿真结果及数据处理。这里的仿真误差由式(2)所示的公式算出，这里的仿真误差指的是分离电路分离出的电压的相对误差值。

由表4 知：2 号锂电池两端的电压经分离电路分离后，相对误差达最大，为0.119 3%；由表5 知：2 号锂电池两端的电压经分离电路分离后，相对误差绝对值最大，为0.276 2%；由表6知：2 号锂电池两端的电压经分离电路分离后，相对误差绝对值最大，为0.327 9%。通过分析表4～6，发现2 号电池两端电压在3 种情况下分离，所得的相对误差绝对值均为最大，但均在0.4%内，达到了较高的分离精度。综合分析表1～6，可知，分离电路在工作过程中，对于某节特定的电池电压分离的相对误差较大，电池之间没有差异时5 号电池电压分离效果较其它电池的分离效果差，电池之间有差异时，2 号电池电压分离效果较其它电池的分离效果差。考虑到实际工作时，电池间存在差异，为了使电路分离精度更高，需考虑补偿分离误差较大的电路部分。

表4 锂电池组电压分离电路充电截止状态仿真数据及数据处理

表5 锂电池组电压分离电路正常工作状态仿真数据及数据处理

表6 锂电池组电压分离电路放电截止状态仿真数据及数据处理

4 总结

设计的单体电池电压分离电路简单、分离精度高且制造成本较低，为电池组的分离电路的设计提供了思路；单体电池电路的仿真为电池组电压分离电路的设计提够了初始的元器件型号；以单体分压电路为基础，设计了应用较为广泛的六节锂电池组分离电路，经仿真，达到了较高的精度。经仿真该分离电路分离精度高，并且其制造成本低，可用于基于LabVIEW与DSP 的锂电池组在线监测系统中。该分离电路还可以用于串联电池组各单体电池电压值的测量；用作基于其它主控系统的电池组监测系统的分离电路。

考虑到实际应用中，电路会受到各种因素的干扰，分离电路的分离精度会有所降低，但可以通过各种补偿手段使分离电路的分离精度达到理想的结果，因而该电路具有得到广泛应用的可能性。

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