中心議題：

• 串聯電池組電壓檢測電路的精度研究
• 影響電壓測量精度的因素分析
• 電流型電壓檢測電路的改進和采樣檢測

解決方案：

• 改進電流型電壓檢測電路

1 引言

串聯電池組廣泛應用於手攜式工具、筆記本電腦
、通訊電台以及便攜式電子設備
、航天衛星
、電動自行車、電動汽車
、儲(chu)能(neng)裝(zhuang)置(zhi)中(zhong)。為(wei)了(le)使(shi)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)可(ke)用(yong)容(rong)量(liang)最(zui)大(da)化(hua)及(ji)提(ti)高(gao)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)
，電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)性(xing)能(neng)應(ying)該(gai)一(yi)致(zhi)
，從(cong)而(er)需(xu)對(dui)單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)監(jian)控(kong)
，即(ji)需(xu)要(yao)對(dui)單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。

串聯電池組電壓測量的方法有很多，目前應用較多的是差分檢測型與電流源檢測型兩種。差分檢測型需要2gedianzuduidezuzhiyangepipei
，fouzejiangyingxiangdianchizudianyadejiancejingdu，gaifangfashiyongzhongweilejianshaojiancexianloudianliuduidianchizuyizhixingdeyingxiang，xuyaozengjiadianzudezuzhi，zheyangjiangzengjialedaguimoshengchandenandubingjiangdilejiancejingdu。erdianliujiancexingdejiancedianluzhongjinxuyaoyigedianzuduidezuzhipipei，weiletigaojiancedejingdu，xuyaoxiaozuzhidedianzupipei，danzengdalejiancexianloudianliu。zaishijishiyongguochengzhongweilejianxiaojiancexianloudianliuduidianchizuyizhixingdeyingxiang，yijijianshaodianyajiancedianludegonghao，xuyaozaidianyajiancexianlushangzengjiakaiguankongzhiqijian，wangwangcaiyongguangouhuozheguangdian繼電器。

電流型電壓檢測電路具有較好的性能，但當電壓低於2V時(shi)無(wu)法(fa)進(jin)行(xing)檢(jian)測(ce)，本(ben)文(wen)首(shou)先(xian)對(dui)電(dian)流(liu)型(xing)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)了(le)改(gai)進(jin)
，擴(kuo)大(da)了(le)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)範(fan)圍(wei)。其(qi)次(ci)以(yi)改(gai)進(jin)的(de)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)並(bing)以(yi)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)作(zuo)為(wei)控(kong)製(zhi)開(kai)關(guan)，對(dui)影(ying)響(xiang)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)的(de)因(yin)素(su)進(jin)行(xing)了(le)分(fen)析(xi)和(he)實(shi)驗(yan)，最(zui)後(hou)通(tong)過(guo)一(yi)種(zhong)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)的(de)方(fang)式(shi)來(lai)取(qu)代(dai)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)
，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)。

2 影響電壓測量精度的因素分析

dianliuxingdianyajiancedianluceliangjingdugao，danyecunzaizheyidingdequexian
，shouxianweileceliangjingdugao

，bixujinkenengdejianxiaodianzuduidezuzhi
，zhebiranzengjialejiancedianludeloudianliu
；其次為了滿足電路中的MOSFET管能正常作用，電路中運放的反向輸入端與係統地之間的電壓一般要大於3V以上
，由於單體電池電壓一般在2.0V～4.2V之間
，因此為了滿足要求必須用於兩節單體電池以上
，對於電池組中靠近係統地的兩節單體電池無法用此方法進行測量。

本文采用了三極管Q1來取代電流型電壓檢測電路中的MOSFET
，主要是因為MOSFET的開啟電壓一般都在2.5V以上，因此當單體電池電壓低於2.5V時，電流型電壓檢測電路將無法檢測，而電池的電壓檢測範圍要求檢測到1V以下，而改進後的電路能滿足這種需求，如圖1所示。

圖1 電流源型電壓檢測電路

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圖中CELLn為第njiedantidianchidedianya，gaidianlukeyiduiduochuandianchizudedianyajinxingceliang，bingqiebushouchuanlianjieshudexianzhi，erduichuanliandianchizuzhongdediyijiedantidianyabuyongcaiyonggaidianluceliang
，kezhijiecelianghuozhetongguodianzufenyadedao。gaidianludegongzuoyuanliruxia：在電路正常工作時，運放處於放大狀態
，運放的1、3腳為虛短虛斷狀態，即3腳的電壓等於CELLn+1端的電壓
，而由於運放的輸入阻抗非常大，因此電阻R3上的電流可忽略，在電阻R1上就是一節單體電池的電壓
，流過電阻R1的電流大小為：
I=（VCELLn+1-VCELLn+2）/R1 （1）

同時，三極管Q1的發射極到基極的電流相對於發射極到集電極的電流可以忽略，於是第n+2 節單體電池的電壓為：
CELLn+2_V=I*R2=（VCELLn+1-VCELLn+2）R2/R1 （2）

由於本文實驗中采用的采樣電路參考電壓為2.5V，因此需要把電池電壓進行2倍衰減
，所以選擇了R1=2R2，電路中電容C1為去耦電容，電阻R5為限流電阻
，電阻R4用於保證電路可靠工作
，為了減少電壓檢測電路的漏電流
，在每節單體電池電壓檢測線上加入AQW216光電繼電器作為檢測控製開關，如圖2suoshi，dangxuyaojiancedianchidianyashi，tongguokongzhiduandakaiguangdianjidianqi，jiancewanguanbiguangdianjidianqi，keyouxiaojianshaojianceshideloudianliuduidianchizuyizhixingdeyingxiang。

圖2 電壓測量電路原理圖

3 實驗

就以上改進型的電流型電壓檢測電路和光電繼電器對1V~5V檢測範圍內的電壓采取了幾個采樣點的檢測
，檢測結果如表1所示
，可以看出檢測值與實際測量值存在著一定的偏差。

表1 電壓測量誤差表

根據分析可知
，電壓檢測的誤差主要分為以下幾個部分：（1）光電繼電器AQW216上的壓降；（2）電壓檢測電路的偏差；（3）采樣係統的偏差，主要包括基準源的電壓偏差以及采樣誤差。

(1)光電繼電器的誤差。guangdianjidianqidetexing，shouwenduhedaotongneizudeyingxiangdoujiaoduo，weileyanzhengguangdianjidianqidaozhideceliangwucha，zaibutongwendutiaojiexiaduiguangdianjidianqihedianyajiancedianlujinxingleshiyan
，zaiguangdianjidianqishangyajiangrutu3所示，可以看出測試電壓越高，光電繼電器上的壓降越大，最大差異約6mV左右，而溫度越高
，壓降也越大，最大差異約7mV左右。

圖3 不同溫度下光耦壓降圖

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(2) 電壓檢測電路的誤差。電壓檢測電路中的誤差主要來自於電阻對的偏差以及三極管的偏差。對電壓檢測電路在不同溫度下的放大倍數進行了實驗，結果如圖4所示。

圖4 電壓檢測電路放大倍數不同溫度對照圖

(3) 采樣係統的測量誤差。由於采樣係統存在著一定的采樣偏差，可以通過一些軟件濾波來減小，本實驗中已經采用的是中值濾波，即對同樣的值連續采樣10次
，去掉最大值和最小值
，再取平均，不同溫度下的采樣誤差如圖5所示。

圖5 不同溫度下采樣電路誤差圖

4 實驗結果和分析

通(tong)過(guo)上(shang)述(shu)的(de)實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)可(ke)知(zhi)，在(zai)常(chang)溫(wen)工(gong)作(zuo)中(zhong)影(ying)響(xiang)電(dian)池(chi)組(zu)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)是(shi)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)
，而(er)在(zai)不(bu)同(tong)溫(wen)度(du)下(xia)影(ying)響(xiang)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)是(shi)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)和(he)采(cai)樣(yang)係(xi)統(tong)的(de)偏(pian)差(cha)。可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)是(shi)影(ying)響(xiang)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)，而(er)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)這(zhe)部(bu)分(fen)往(wang)往(wang)被(bei)忽(hu)視(shi)，而(er)僅(jin)僅(jin)關(guan)注(zhu)於(yu)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)的(de)誤(wu)差(cha)，從(cong)而(er)造(zao)成(cheng)了(le)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)較(jiao)大(da)偏(pian)差(cha)。

光電繼電器部分的檢測誤差不僅隨著溫度變化

，同時也隨著被測量的電壓值變化，從圖3中可以看到，同一測量溫度下
，1V與4V的被測量電壓之間的測量誤差達到12mV。從圖5中可以看到
，而采樣係統的誤差僅僅同溫度有關，而與被測量電壓值無關。
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可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)采(cai)樣(yang)係(xi)統(tong)的(de)誤(wu)差(cha)相(xiang)對(dui)於(yu)常(chang)溫(wen)
，高(gao)溫(wen)和(he)低(di)溫(wen)的(de)偏(pian)向(xiang)為(wei)同(tong)一(yi)方(fang)向(xiang)，因(yin)此(ci)無(wu)法(fa)用(yong)直(zhi)線(xian)擬(ni)合(he)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)溫(wen)度(du)分(fen)段(duan)解(jie)決(jue)。電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)部(bu)分(fen)的(de)誤(wu)差(cha)也(ye)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)校(xiao)正(zheng)來(lai)減(jian)少(shao)
，而(er)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)部(bu)分(fen)的(de)誤(wu)差(cha)較(jiao)大(da)，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)來(lai)取(qu)代(dai)，如(ru)圖(tu)6所示
，而且光電繼電器的導通和關斷時間都較長，一般都需要保證在0.5mS以上，因此一次采樣中僅光電繼電器的控製時間就達到1ms
，影響了采樣的速度，而采用了電子開關後導通和關斷的時間都非常快，可大幅提高采樣的速度，圖6中由於MOSFET管M1的源柵極最大電壓一般在20V，而電池組中很多單體電池電壓相對於電池組的地已經超過了20V
，電阻R7
、R8和R9通過分壓來保證M1的安全，在實際使用中
，為了提高係統的可靠性，防止由於電阻R7
、R8的虛焊或者漏焊導致M1被擊穿，電阻R7、R8一般采用並聯的方式。

圖6 電子開關原理圖

通(tong)過(guo)以(yi)上(shang)的(de)措(cuo)施(shi)後(hou)，並(bing)在(zai)實(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)中(zhong)，采(cai)用(yong)溫(wen)度(du)分(fen)段(duan)模(mo)式(shi)，用(yong)來(lai)校(xiao)正(zheng)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)以(yi)及(ji)采(cai)樣(yang)係(xi)統(tong)的(de)誤(wu)差(cha)，可(ke)提(ti)高(gao)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)的(de)精(jing)度(du)
，實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)常(chang)溫(wen)下(xia)實(shi)際(ji)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)小(xiao)於(yu)5mV。

5 結論

本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)對(dui)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)流(liu)源(yuan)型(xing)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)有(you)效(xiao)改(gai)進(jin)，並(bing)通(tong)過(guo)實(shi)驗(yan)來(lai)分(fen)析(xi)導(dao)致(zhi)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)誤(wu)差(cha)的(de)因(yin)素(su)，結(jie)果(guo)顯(xian)示(shi)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)是(shi)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)。因(yin)此(ci)通(tong)過(guo)一(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)實(shi)用(yong)的(de)電(dian)子(zi)開(kai)關(guan)來(lai)取(qu)代(dai)光(guang)電(dian)繼(ji)電(dian)器(qi)
，並(bing)通(tong)過(guo)溫(wen)度(du)分(fen)段(duan)校(xiao)正(zheng)來(lai)減(jian)少(shao)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)和(he)采(cai)樣(yang)係(xi)統(tong)的(de)誤(wu)差(cha)，從(cong)而(er)大(da)幅(fu)提(ti)高(gao)了(le)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)的(de)精(jing)度(du)。本(ben)文(wen)的(de)提(ti)出(chu)的(de)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)簡(jian)單(dan)，成(cheng)本(ben)低(di)，測(ce)量(liang)精(jing)度(du)高(gao)，具(ju)有(you)很(hen)好(hao)的(de)實(shi)用(yong)價(jia)值(zhi)。