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2個(ge)電(dian)阻(zu)對(dui)的(de)阻(zu)值(zhi)嚴(yan)格(ge)匹(pi)配(pei)，否(fou)則(ze)將(jiang)影(ying)響(xiang)電(dian)池(chi)組(zu)電(dian)壓(ya)的(de)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)，該(gai)方(fang)法(fa)使(shi)用(yong)中(zhong)為(wei)了(le)減(jian)少(shao)檢(jian)測(ce)線(xian)漏(lou)電(dian)流(liu)對(dui)電(dian)池(chi)組(zu)一(yi)致(zhi)性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)，需(xu)要(yao)增(zeng)加(jia)電(dian)阻(zu)的(de)阻(zu)值(zhi)，這(zhe)樣(yang)將(jiang)增(zeng)加(jia)了(le)大(da)規(gui)模(mo)生(sheng)產(chan)的(de)難(nan)度(du)並(bing)降(jiang)低(di)了(le)檢(jian)測(ce)精(jing)度(du)。而(er)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)型(xing)的(de)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)中(zhong)僅(jin)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)電(dian)阻(zu)對(dui)的(de)阻(zu)值(zhi)匹(pi)配(pei)，為(wei)了(le)提(ti)高(gao)檢(jian)測(ce)的(de)精(jing)度(du)
，需(xu)要(yao)小(xiao)阻(zu)值(zhi)的(de)電(dian)阻(zu)匹(pi)配(pei)
，但(dan)增(zeng)大(da)了(le)檢(jian)測(ce)線(xian)漏(lou)電(dian)流(liu)。在(zai)實(shi)際(ji)使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)為(wei)了(le)減(jian)小(xiao)檢(jian)測(ce)線(xian)漏(lou)電(dian)流(liu)對(dui)電(dian)池(chi)組(zu)一(yi)致(zhi)性(xing)的(de)影(ying)響(xiang)，以(yi)及(ji)減(jian)少(shao)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)的(de)功(gong)耗(hao)，需(xu)要(yao)在(zai)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)線(xian)路(lu)上(shang)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)控(kong)製(zhi)器(qi)件(jian)，往(wang)往(wang)采(cai)用(yong)光(guang)耦(ou)或(huo)者(zhe)光(guang)電(dian)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

電(dian)流(liu)型(xing)電(dian)壓(ya)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)高(gao)，但(dan)也(ye)存(cun)在(zai)著(zhe)一(yi)定(ding)的(de)缺(que)陷(xian)，首(shou)先(xian)為(wei)了(le)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)高(gao)，必(bi)須(xu)盡(jin)可(ke)能(neng)的(de)減(jian)小(xiao)電(dian)阻(zu)對(dui)的(de)阻(zu)值(zhi)，這(zhe)必(bi)然(ran)增(zeng)加(jia)了(le)檢(jian)測(ce)電(dian)路(lu)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)；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n節(jie)單(dan)體(ti)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)
，該(gai)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)對(dui)多(duo)串(chuan)電(dian)池(chi)組(zu)的(de)電(dian)壓(ya)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)，並(bing)且(qie)不(bu)受(shou)串(chuan)聯(lian)節(jie)數(shu)的(de)限(xian)製(zhi)，而(er)對(dui)串(chuan)聯(lian)電(dian)池(chi)組(zu)中(zhong)的(de)第(di)一(yi)節(jie)單(dan)體(ti)電(dian)壓(ya)不(bu)用(yong)采(cai)用(yong)該(gai)電(dian)路(lu)測(ce)量(liang)
，可(ke)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)或(huo)者(zhe)通(tong)過(guo)電(dian)阻(zu)分(fen)壓(ya)得(de)到(dao)。該(gai)電(dian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)如(ru)下(xia)：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。光guang電dian繼ji電dian器qi的de特te性xing，受shou溫wen度du和he導dao通tong內nei阻zu的de影ying響xiang都dou較jiao多duo，為wei了le驗yan證zheng光guang電dian繼ji電dian器qi導dao致zhi的de測ce量liang誤wu差cha，在zai不bu同tong溫wen度du調tiao節jie下xia對dui光guang電dian繼ji電dian器qi和he電dian壓ya檢jian測ce電dian路lu進jin行xing了le實shi驗yan
，在zai光guang電dian繼ji電dian器qi上shang壓ya降jiang如ru圖tu3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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keyikanchucaiyangxitongdewuchaxiangduiyuchangwen，gaowenhediwendepianxiangweitongyifangxiang，yinciwufayongzhixiannihe，keyitongguowendufenduanjiejue。dianyajiancedianlubufendewuchayekeyitongguoxiaozhenglaijianshao，erguangdianjidianqibufendewuchajiaoda，keyitongguodianzikaiguanlaiqudai
，rutu6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

benwentongguoduidianyajiancedianluzhongdedianliuyuanxingdianlujinxingyouxiaogaijin，bingtongguoshiyanlaifenxidaozhidianyajiancewuchadeyinsu
，jieguoxianshiguangdianjidianqishiyigezhuyaodeyingxiangyinsu。yincitongguoyizhongjiandanshiyongdedianzikaiguanlaiqudaiguangdianjidianqi，bingtongguowendufenduanxiaozhenglaijianshaodianyajiancedianluhecaiyangxitongdewucha，congerdafutigaoledianyajiancedejingdu。benwendetichudejiancedianlujiandan，chengbendi
，celiangjingdugao
，juyouhenhaodeshiyongjiazhi。