便攜式串聯電池組電壓檢測系統的研究與設計

　　1 引言

　　串聯電池組廣泛應用于通訊電臺、便攜式電子設備、航天衛星、電動白行車、電動汽車及 UPS等領域。通常電池組中的單體電池的性能直接影響到電池組的整體性能，為了提高電池組的可靠性，其單體電池性能應該保持一致。對于重要設備，需要經常在線監控所有單體電池，即測量單體電池電壓。

　　測量單體電池電壓的方法有多種，最簡單的是用電阻分壓方式測量：依次測量各串聯節點的電壓，由于所測電壓是總電壓，單體電池電壓只占一部分，則測量精度按比例降低；另一種測量方法是每一個單體電池采用一個隔離運算放大器，這種運算放大器可把電池電壓轉換為統一參考地電壓，而且避免了由電阻分壓造成的漂移誤差和漏電流等問題，但是體積大且價格高，僅適合于那些測量精度要求高且不考慮漏電流和成本的場合。另外，第三種方法是采用繼電器陣列選擇進行測量，該方法控制開關復雜。而目前電壓測量應用較多的是運算放大器差分放大法及直接采樣法，但這些方法都存在電路復雜，體積大的缺點，運用于那些對體積和重量有要求的領域則有一定的局限性。因此，這里提出一種采用普通光耦代替線性光耦的測量方法，以C8051F410嵌入式單片機為核心的便攜式串聯電池組電壓檢測系統。

　　2 系統工作原理

　　便攜式串聯電池組電壓檢測系統由電池電壓轉換電路、C8051F410單片機和LCD液品顯示器組成，如圖1所示。

　　2．1 電池電壓轉換原理

　　電池電壓轉換電路如圖2所示，該轉換電路是南普通光耦TLP521-1和運算放大器A1組成，電阻Rb為采樣電阻，電容Cn用來提高抗干擾能力。

　　圖2中，光耦選擇TLP521-1，運算放大器選擇LM324，輸入電阻取Ra=5 kΩ，采樣電阻Rb=1 kΩ，實驗曲線如圖3所示。標準電壓取安捷倫34401測量數值。

　　系統采用嵌入式單片機C8051F410。該器件采用高速8051μC內核，運行速度最高達50 Mi／s，最大程度地減少功耗和電磁輻射，提高系統的抗干擾能力；內置零誤碼率的12位A／D轉換器，采樣速率可達200 kS／s，最大為24路A/D轉換電路輸入端口，簡化外圍A／D轉換通道切換控制電路，實現高準確度的模擬量采樣；在節電模式下，典型電流小于1μA，在 32 kHz下工作電流僅16μA。基于以上特點，采用C8051F410型單片機作為系統的核心，簡化系統信號采樣和采樣通道控制電路的設計，減小系統體積。采用圖2所給出的電路轉換21節電池電壓。而系統的液晶顯示電路采用LCD低功耗驅動器PCF8563，I2C總線接口，連線簡單可靠。

　　3 試驗數據

　　在電壓測量實驗中，Ra=5 kΩ，Rb=5 kΩ，運算放大器選LM324，對比參考測試設備為安捷倫34401(直流電壓測試精度為0．001 V)。由10節電池組成的電池組進行測試，表1為系統測試電壓對比，圖5為測量誤差。由表1和圖5可得出，12 V電池組系統測量誤差小于0．1％。

　　4 結論

　　經理論分析與實驗驗證，該電池監測系統具有優點：(1)用價格低廉的普通光耦測量電池組單個電池能滿足系統精度要求，可節約90％的器件成本，同時簡化電路設計；(2)由于光耦的隔離電壓較高，該系統的串聯電池電壓的測量范同可達2 000 V，比繼電器的耐壓高3~5倍；(3)采用嵌入式C8051F410單片機，南于允許直接輸入多達24路模擬信號，測量電路簡單，體積小。

　　綜上所述，系統實現了由普通光耦代替線性光耦的高精度應用，實現用低成本的電路解決高精度大量程電壓的測量問題。體積小、重量輕和成本低的特點使系統在實現電池組檢測設備便攜式的應用方面有著良好的應用前景。