中心議題：

• 探究串聯電池電壓及溫度測量方法研究

解決方案：

• 采用數字溫度傳感器進行溫度采樣方法
• 采用單體電池電壓及溫度測量方法

一
、引言

在(zai)提(ti)倡(chang)節(jie)能(neng)減(jian)排(pai)的(de)時(shi)代(dai)背(bei)景(jing)下(xia)

，新(xin)能(neng)源(yuan)的(de)研(yan)究(jiu)正(zheng)成(cheng)為(wei)公(gong)眾(zhong)關(guan)注(zhu)的(de)焦(jiao)點(dian)
，以(yi)電(dian)為(wei)動(dong)力(li)的(de)電(dian)動(dong)車(che)就(jiu)是(shi)研(yan)究(jiu)的(de)熱(re)點(dian)之(zhi)一(yi)。電(dian)池(chi)是(shi)電(dian)動(dong)車(che)的(de)能(neng)量(liang)之(zhi)源(yuan)，為(wei)確(que)保(bao)電(dian)池(chi)組(zu)性(xing)能(neng)良(liang)好(hao)並(bing)延(yan)長(chang)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)，需(xu)要(yao)對(dui)電(dian)池(chi)組(zu)進(jin)行(xing)管(guan)理(li)和(he)控(kong)製(zhi)，其(qi)前(qian)提(ti)是(shi)必(bi)須(xu)準(zhun)確(que)而(er)又(you)可(ke)靠(kao)的(de)獲(huo)得(de)電(dian)池(chi)現(xian)存(cun)的(de)容(rong)量(liang)參(can)數(shu)。電池的電壓及溫度是和電池容量密切相關的兩個參數，因此精確采集單體電池電壓及溫度是十分重要的。

二

、常用測量方法分析

1
、單體電池電壓測量方法分析

串聯電池組單體電池電壓的測量方法有很多，比較常見的有機械繼電器法隔離檢測、差分放大器法隔離檢測、電壓分壓法隔離檢測、光電繼電器法等。機械繼電器法可直接測量每個單體的電壓，但是機械繼電器使用壽命有限

、動(dong)作(zuo)速(su)度(du)慢(man)，不(bu)宜(yi)使(shi)用(yong)在(zai)長(chang)期(qi)快(kuai)速(su)巡(xun)檢(jian)過(guo)程(cheng)中(zhong)。差(cha)分(fen)放(fang)大(da)器(qi)隔(ge)離(li)法(fa)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)基(ji)本(ben)上(shang)由(you)隔(ge)離(li)放(fang)大(da)器(qi)的(de)誤(wu)差(cha)所(suo)決(jue)定(ding)
，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)每(mei)一(yi)路(lu)的(de)測(ce)量(liang)成(cheng)本(ben)比(bi)較(jiao)高(gao)
，因(yin)此(ci)在(zai)經(jing)濟(ji)性(xing)上(shang)略(lve)顯(xian)不(bu)足(zu)。電(dian)壓(ya)分(fen)壓(ya)法(fa)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)快(kuai)
、測量的成本低，但是其缺點是不能很好的調節分壓比例
，測量精度也不能令人滿意。

法的響應速度快
，工作壽命長，測量的成本相對較低
，開關無觸點，能夠起到電壓隔離的作用，若選用的光電繼電器采取PhotoMOS jishu，zenengdadaojiaogaodeceliangjingdu，suoyiguangdianjidianqigelifashibijiaolixiangdedantidianchidianyaceliangfangfa。benwendedantidianchidianyaceliangfangfajiushijiyuguangdianjidianqigelifashixiande。

光電繼電器的通斷控製策略是光電繼電器隔離法要解決的重要問題。常用的光電繼電器的通斷控製方法有：I/O 直接控製、譯碼器控製
、模擬開關控製等。I/O 直接控製方法簡單，容易實現，但是需要占用大量的I/O 資源。譯碼器控製和模擬開關控製的思想類似
，即用數量少的I/O 去控製數量多的光電繼電器，這兩種方法減少了I/O 口的占用。采用I/O 直接控製

、譯碼器控製和模擬開關控製都需要將通斷控製電路、A/D zhuanhuandianlujichuliqishejizaitongyigemokuaijicaiyangmokuaishang，zheyangdehuadantidianchidelianggedianjijiuxuyinxiandaocaiyangmokuaishang
，zhenggedianchizulaijiangjiuhuiyoudaliangdedaoxianliandaocaiyangmokuai，zaochenganzhuangdefansuohedianqizouxiandefuzaxing。duidantidianchidianyadeceliang，yingzhezhongjiejuesangewenti：使用現場與測量係統的電氣隔離、降低成本和簡化設計方案、提高係統精度。I/O 直接控製
、譯碼器控製和模擬開關控製這三種光電繼電器的通斷控製方法在設計的簡潔性方麵就顯得不足。

benwentichuyizhongyouyiweijicunzhenkongzhiguangdianjidianqitongduandeguangdianjidianqigelidantidianchidianyaceliangfangfa。gaifangfajiangguangdianjidianqitongduankongzhidianluzhijieshejianzhuangzaidianchishang

，zhijiandezouxianyongpaixianchuanlianqilaijike

，shishejifangandedaolehendadejianhua，anzhuangfangbian，dianqizouxianjianjiemingle。

2、單體電池溫度測量方法分析

電池溫度對電池的容量
、電壓
、內阻、充放電效率、使用壽命、安全性和電池一致性等方麵都有較大的影響，所以電池在使用中必須進行溫度監測。

目前單體電池溫度的測量一般采用熱敏電阻作為溫度傳感器，采用分壓法由A/D 采樣讀取熱敏電阻的端電壓
，根據電阻—溫度關係可計算出溫度值。將熱敏電阻安裝在每個電池上
，分時將不同電池上的熱敏電阻接到A/D 采樣電路上進行溫度采樣，實現單體電池溫度的巡檢。采用在熱敏電阻測量溫度，其測量精度為±1.0℃
，wuchajiaoda。tongshiyoushiyouyuzhizaogongyiyuanyin，remindianzugetidewendutexingbushihenyizhi，youcizaochengwenduceliangxiaozhundekunnan。jinxingduodianwenduxunjianshi，tongyangyaojiejuefenshitongdaoxuantongwenti，suoyitongyangjiuxuyaokaolvshejijianjiexingwenti。

benwenjiyuyiweijicunzhenkongzhitongdaoxuantongdesixiang，tichuleyizhongcaiyongshuziwenduchuanganqijinxingtongshiqidongfenshiduqushujudeduodianwenducaiyangfangfa。caiyonggaifangfacaiyangjingdujiaogao
，caiyangsudukuai
，anzhuangjianjiefangbian。
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三
、測量原理和電路

1、單體電池電壓測量原理

本ben文wen作zuo者zhe曾zeng經jing基ji於yu光guang電dian繼ji電dian器qi隔ge離li法fa設she計ji了le一yi套tao電dian池chi管guan理li係xi統tong，單dan體ti電dian池chi電dian壓ya的de測ce量liang是shi采cai用yong分fen時shi測ce量liang的de方fang法fa。串chuan聯lian電dian池chi組zu中zhong各ge個ge電dian池chi的de兩liang端duan通tong過guo光guang電dian繼ji電dian器qi隔ge離li，然ran後hou統tong一yi連lian接jie到dao檢jian測ce總zong線xian上shang。按an照zhao一yi定ding的de時shi間jian策ce略lve控kong製zhi光guang電dian繼ji電dian器qi的de通tong斷duan
，可ke控kong製zhi單dan體ti電dian池chi在zai不bu同tong的de時shi間jian段duan單dan獨du將jiang電dian壓ya施shi加jia在zai檢jian測ce總zong線xian上shang，從cong而er實shi現xian單dan體ti電dian池chi電dian壓ya的de分fen時shi檢jian測ce。該gai方fang法fa的de巡xun檢jian周zhou期qi短duan，測ce量liang精jing度du高gao。但dan是shi控kong製zhi光guang電dian繼ji電dian器qi的de通tong斷duan需xu要yao占zhan用yong大da量liang的deI/O 資(zi)源(yuan)，這(zhe)就(jiu)限(xian)製(zhi)了(le)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)可(ke)管(guan)理(li)電(dian)池(chi)的(de)數(shu)量(liang)。同(tong)時(shi)在(zai)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)的(de)實(shi)際(ji)安(an)裝(zhuang)時(shi)，由(you)於(yu)電(dian)池(chi)兩(liang)端(duan)需(xu)要(yao)引(yin)線(xian)到(dao)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)
，所(suo)以(yi)就(jiu)會(hui)有(you)比(bi)較(jiao)多(duo)的(de)走(zou)線(xian)，導(dao)致(zhi)電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)安(an)裝(zhuang)的(de)不(bu)方(fang)便(bian)及(ji)電(dian)動(dong)車(che)電(dian)氣(qi)走(zou)線(xian)的(de)複(fu)雜(za)性(xing)。本(ben)文(wen)為(wei)了(le)改(gai)善(shan)以(yi)上(shang)的(de)不(bu)足(zu)
，提(ti)出(chu)一(yi)種(zhong)新(xin)的(de)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)。光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)與(yu)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)連(lian)接(jie)方(fang)式(shi)如(ru)圖(tu)1 所示。 圖 1 中，E1,E2,……En 表示的是電池組，雙刀開關K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器組。在不同的時間分別單獨導通K1,K2,……Kn，即可實現單體電池E1,E2,……En 的電壓測量。光電繼電器組的通斷是由D 觸發器串聯而成的移位寄存陣控製，隻需兩個I/O 口分別提供時鍾信號(CLK)和數據信號(D)即可工作，大大減少了I/O 資源的占用。實際設計時，一個D 觸chu發fa器qi和he一yi對dui光guang電dian繼ji電dian器qi構gou成cheng選xuan通tong模mo塊kuai
，一yi個ge電dian池chi對dui應ying一yi個ge選xuan通tong模mo塊kuai，所suo以yi直zhi接jie將jiang選xuan通tong模mo塊kuai安an裝zhuang在zai電dian池chi上shang，選xuan通tong模mo塊kuai之zhi間jian用yong排pai線xian串chuan聯lian起qi來lai構gou成cheng由you移yi位wei寄ji存cun陣zhen控kong製zhi的de選xuan通tong電dian路lu。選xuan通tong電dian路lu與yu電dian壓ya采cai集ji電dian路lu之zhi間jian也ye用yong排pai線xian連lian接jie，需xu要yao的de線xian數shu量liang很hen少shao，所suo以yi電dian池chi管guan理li係xi統tong安an裝zhuang方fang便bian，電dian氣qi走zou線xian簡jian潔jie明ming了le。

電池溫度的測量采用DALLAS 公司的DS18B20 溫度傳感器。DS18B20 采用單總線技術

，測溫範圍-55°C~+125°C，全數字溫度轉轉換及輸出，支持多點組網功能，實現多點溫

度采樣。需要說明的是，采用DS18B20 多點組網功能也可以實現單體電池溫度采樣，但是多點采樣時需要識別每個DS18B20 獨有的ROM 碼，影響采樣速度
，同時無法將ROM碼同器件的實際物理位置關聯起來
，所以多點組網功能不適合單體電池溫度的巡檢。基於由D 觸發器構成的移位寄存陣所具有的通道選通功能

，本文提出一種同時啟動
，分時讀取數據的DS18B20 多點溫度采樣方法。該種方法中DS18B20的采樣啟動和數據讀取都是跳過ROM 碼校驗進行的。DS18B20 的連接方式如圖2 所示。 圖中 K1,K2,……Kn 表示的是光電繼電器，其通斷情況同樣由移位寄存陣控製。一開始K1,K2,……Kn 全部閉合，MCU向所有DS18B20 發送采樣啟動命令，啟動命令發送完後斷開所有光電繼電器，然後逐個閉合K1,K2,……Kn，讀du取qu相xiang應ying傳chuan感gan器qi的de溫wen度du數shu據ju，實shi現xian分fen時shi讀du取qu數shu據ju。采cai用yong同tong時shi啟qi動dong分fen時shi讀du取qu數shu據ju的de多duo點dian溫wen度du采cai樣yang方fang法fa，其qi所suo用yong時shi間jian僅jin比bi單dan點dian溫wen度du采cai樣yang所suo用yong的de時shi間jian多duo了le數shu據ju讀du取qu的de時shi間jian，所suo以yi其qi采cai樣yang速su度du比bi較jiao快kuai。
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3、移位寄存陣原理

移位寄存陣是由D 觸發器串聯構成的，它與光電繼電器一起構成選通電路。圖3 中
，D1,D2,……Dn 表示的是D 觸發器
，每個D 觸發器的輸出Q 是下一個D 觸發器的數據信號
，所有的D 觸發器由相同的時鍾信號控製。D 觸發器的反碼輸出Q 用來控製對應的光電繼電器的通斷，當Q 為高電平時光電繼電器斷開，當Q 為低電平時光電繼電器導通。通過控製第一個D 觸發器的數據信號，可實現D1,D2,……Dn 的Q 逐個輸出低電平即移位功能，從而控製光電繼電器K1,K2,……Kn按順序的逐個單獨閉合，實現通道選通功能。 移位寄存陣的工作時序圖如圖 4 所示。其中

，CLK 是時鍾信號，D 為移位寄存陣中第一個D 觸發器的數據信號
，Q 1,取的D 觸發器是上升沿觸發工作。在時鍾信號的第一個上升沿時，將D 置高電平

，第一個D 觸發器的輸出Q1 在時鍾信號的第一個上升沿和第二個上升沿的時間段內是高電平，Q 1為低電平。接下來一直將D 置為電平，每次時鍾信號的上升沿到來的時候
，D 觸發器的輸出Q 的高電平狀態就會依次傳給下一個D 觸發器，即移位寄存陣的D 觸發器的Q 端依次在不同的時間段單獨輸出高電平，從而Q 1, Q 2,…… Q n 依次輸出低電平。在Q 1, Q 2, …… Q n 的控製下
，光電繼電器K1,K2,……Kn 依次閉合。 [page]
四
、測量程序設計

測量程序采用C 語言按照模塊化方法進行編寫
，分為通道選擇、A/D caiyanghewenducaiyangsangemokuai。zaijinxingdianchiguanlixitongshejishi
，kefangbiandejiangzhesangemokuaiyizhidaodianchiguanlixitongdexitongchengxuzhong
，weidianchiguanlixitongtigongdianyahewendushuju。celiangchengxudeliuchengturutu5 所示。
五
、實驗結果及分析

取一個電動摩托車的動力鋰電池進行實驗，電池的容量為40AH。實驗過程中
，對電池進行0.15C(6A)放電
，實時監測電池的電壓和溫度。在電池電壓從3.9V 降到2.7V 的過程中，每隔40mV 讀取一次測量值。同時用五位半電壓表和高精度的溫度計進行電壓和溫度的測量，測量的值就視為實際電壓和實際溫度。實驗結果如表1 所示。實驗結果顯示電壓測量的平均誤差小於10mV
，溫度測量的平均誤差小於0.1℃
，由此可見本文提出的方法可較準確的測量單體電池的電壓及溫度。

六
、結束語

本ben文wen提ti出chu的de基ji於yu移yi位wei寄ji存cun陣zhen控kong製zhi的de單dan體ti電dian池chi電dian壓ya及ji溫wen度du測ce量liang方fang法fa
，可ke實shi現xian串chuan聯lian電dian池chi組zu的de電dian壓ya及ji溫wen度du的de巡xun檢jian，巡xun檢jian的de電dian池chi數shu量liang可ke靈ling活huo的de增zeng加jia和he減jian少shao。相xiang對dui於yu其qi他ta的de測ce量liang方fang法fa，結jie構gou簡jian潔jie明ming了le，安an裝zhuang方fang便bian等deng優you點dian。可ke為wei電dian池chi管guan理li提ti供gong準zhun確que的de技ji術shu參can數shu，在zai電dian池chi應ying用yong領ling域yu有you廣guang闊kuo的de前qian景jing。