串联电池组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

　　根据分析可知，电压检测的误差主要分为以下几个部分：（1）光电继电器AQW216上的压降；（2）电压检测电路的偏差；（3）采样系统的偏差，主要包括基准源的电压偏差以及采样误差。

　　（1）光电继电器的误差。光电继电器的特性，受温度和导通内阻的影响都较多，为了验证光电继电器导致的测量误差，在不同温度调节下对光电继电器和电压检测电路进行了实验，在光电继电器上压降如图3所示，可以看出测试电压越高，光电继电器上的压降越大，最大差异约6mV左右，而温度越高，压降也越大，最大差异约7mV左右。

　　　　　　　　　　　　　　　　　图3 不同温度下光耦压降图

　　(2) 电压检测电路的误差。电压检测电路中的误差主要来自于电阻对的偏差以及三极管的偏差。对电压检测电路在不同温度下的放大倍数进行了实验，结果如图4所示。