基于单片机的串联锂离子电池组监测系统设计

1272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，+5V供电，模拟输入电压范围0~10V，0~5V，±10V，±5V。内部自带+4.096V参考电压。当采用内部+4.096V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+4.096V时，1LSB=1.2207mV。

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5mV。INA117精度高，正常情况下，误差在1mV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10mV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2.2μF钽电容和0.1μF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5V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。

1.5 风扇及加热控制电路

对于电池的散热问题，设计了风扇控制电路，通过对测量到的电池温度值进行判断，决定风扇的开启或关闭。当温度过高时，单片机将发出信号开启风扇。

电路如图6所示，FAN为低电平时，晶体管9014不导通，此时继电器无动作；当FAN为高电平时，晶体管9014导通，使得继电器触点吸合，风扇在24V电源电压的供电下开始工作。

图6 风扇控制电路

对于应用环境复杂的串联锂离子电池组，除了要考虑温度过高的情况，还要考虑温度过低的情况。因为电池在温度过低的环境下运行时，会使锂离子活性变差，嵌入和脱出能力下降，容易在石墨晶体表面沉积，形成锂金属。形成的锂金属会与电解液发生不可逆的反应。

如果锂离子电池长期在低温下工作，则将使电池的容量下降明显。因此根据需要设计了加热器控制电路，原理如风扇控制电路。

2 监测系统的性能

实测证明，使用INA117、16选1模拟开关MUX16、MAX1272、51单片机和DS18B20的串联锂离子电池组监测系统监测16节3.7V锂离子电池，电压的测量误差完全在10mV以内。温度方面，由于DS18B20精度较高，温度误差在1℃以内。电压和温度的测量均达到要求，系统运行可靠。当串联锂离子电池组任何一节电池电压<2.2V时，单片机调用轻度报警程序进行声光报警，并通报存在问题的电池。

当串联锂离子电池组任何一节电池电压>5V时，单片机调用严重报警程序进行声光报警。如果温度值超出预设温度值的容许范围，串联锂离子电池组监测系统进行声光报警。风扇和加热控制电路均能根据设定温度正常启动控制电路。当温度低于5℃时，启动加热控制电路；温度高于50℃时，启动风扇控制电路。

3 结束语

串联锂离子电池组检测系统，采用高共模抑制比差分运放INA117解决了共地问题，监测电压误差正负10mV，如要进一步提高检测精度，可以选用高位A/D转换器。检测时，锂离子电池是串联接在检测模块上的，要保证接线正确。根据实际应用，可把几个检测系统串接起来检测更多的串联锂离子电池组，但要确保共模电压不超过INA117的最大保护共模电压范围。