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。
   
   　　　　　　　　　　　　　　图4 电压检测电路放大倍数不同温度对照图
   　　(3) 采样系统的测量误差。由于采样系统存在着一定的采样偏差，可以通过一些软件滤波来减小，本实验中已经采用的是中值滤波，即对同样的值连续采样10次，去掉最大值和最小值，再取平均，不同温度下的采样误差如图5所示。
   
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5 不同温度下采样电路误差图

4 实验结果和分析

　　通过上述的实验结果可知，在常温工作中影响电池组电压检测精度的主要因素是光电继电器，而在不同温度下影响检测精度的主要因素是光电继电器和采样系统的偏差。可以看出光电继电器是影响电压检测精度的主要因素，而在实际应用中这部分往往被忽视，而仅仅关注于电压检测电路的误差，从而造成了测量精度的较大偏差。

　　光电继电器部分的检测误差不仅随着温度变化，同时也随着被测量的电压值变化，从图3中可以看到，同一测量温度下，1V与4V的被测量电压之间的测量误差达到12mV。从图5中可以看到，而采样系统的误差仅仅同温度有关，而与被测量电压值无关。

　　可以看出采样系统的误差相对于常温，高温和低温的偏向为同一方向，因此无法用直线拟合，可以通过温度分段解决。电压检测电路部分的误差也可以通过校正来减少，而光电继电器部分的误差较大，可以通过电子开关来取代，如图6所示，而且光电继电器的导通和关断时间都较长，一般都需要保证在0.5mS以上，因此一次采样中仅光电继电器的控制时间就达到1ms，影响了采样的速度，而采用了电子开关后导通和关断的时间都非常快，可大幅提高采样的速度，图6中由于MOSFET管M1的源栅极最大电压一般在20V，而电池组中很多单体电池电压相对于电池组的地已经超过了20V，电阻R7、R8和R9通过分压来保证M1的安全，在实际使用中，为了提高系统的可靠性，防止由于电阻R7、R8的虚焊或者漏焊导致M1被击穿，电阻R7、R8一般采用并联的方式。
   
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6 电子开关原理图

　　通过以上的措施后，并在实验数据处理中，采用温度分段模式，用来校正电压检测电路以及采样系统的误差，可提高电压检测的精度，实验结果表明常温下实际电压测量误差小于5mV。

5 结论

　　本文通过对文献[2]的电压检测电路中的电流源型电路进行了有效改进，并通过实验来分析导致电压检测误差的因素，结果显示光电继电器是一个主要的影响因素。因此通过一种简单实用的电子开关来取代光电继电器，并通过温度分段校正来减少电压检测电路和采样系统的误差，从而大幅提高了电压检测的精度。本文的提出的检测电路简单，成本低，测量精度高，具有很好的实用价值。