単セル電圧の意味、単セル電圧の検出技術

まず、はじめに

純粋な電気自動車やハイブリッド車の開発に伴い、重要なエネルギー貯蔵装置であるシリーズバッテリーパックは、車両全体の性能に影響を与える重要な要素です。

バッテリーの寿命を延ばし、バッテリーの効率を向上させることは、電気自動車の商品化と実用化の鍵です。バッテリーモノマーバッテリーと直列にバケット効果が存在するため、全体的なパフォーマンスで最もパフォーマンスが低いのはバッテリーパックに依存します。直列のバッテリーのエネルギー使用を効果的に管理できるようにするためには、実際の必要性があります。時間監視シリーズバッテリーモノマーバッテリーの状態。バッテリステータスのパラメータの特性評価では、バッテリ端子電圧が動作ステータスを反映する可能性があるため、最も正確には、バッテリパック内のすべてのバッテリ電圧が非常に重要です。

第二に、既存のモノマー電池の検出方法

現在、多くのモノマー電池電圧測定方法がありますが、主なものは、分圧抵抗ステップダウン、フローティンググラウンド調査、分析として次のようないくつかの方法をゲート制御するアナログスイッチとして要約できます。

1、抵抗分圧法

主に分圧への抵抗減衰による抵抗分圧法は、実際の電圧測定チップの許容電圧範囲となり、次にモジュラスを変換します。BT1に対応するU1電圧をBT1からBTN-1に変換します。Un間の電圧は図1に示すように、バッテリーパックの電圧。この方法の測定は、低コスト、長寿命ですが、累積誤差があり、消去することはできません。シングルセルの数が増えると、モノマー電池の電圧測定誤差はコモンモード電圧の増加とともに増加します。

2、フローティング方式

フローティンググラウンド技術を使用してバッテリーの電圧を測定します。ウィンドウコンパレータは、現在の低電位が正しいかどうかを自動的に判断します。適切な手段があれば、アナログからデジタルへの変換を直接開始します。高すぎるまたは低すぎる場合は、数学モデルを介してマイクロコントローラーを介して、適切な条件下でフローティング低電位を低電位に制御します。低電位のため計画は干渉によって変化することが多く、低電位を正確に制御することはシステム全体の測定結果に影響を与えません。

3、アナログスイッチの方法

アナログスイッチの選択により、チャネルの測定に使用され、各チャネルはオペアンプの線形サンプリング回路を使用しました。チャネルを測定するために選択され、アナログスイッチはモジュラスを変換するために電圧フォロワをADコンバータに出力します。直列バッテリーパックの全電圧の大きさに応じて、分圧抵抗ネットワークではなく、適切な倍率を選択するか、低電位を変更する方法で、任意のバッテリー電圧を直接測定でき、測定して便利です。しかし、この方法は多数のオペアンプと精密整合抵抗を必要とし、高コストであり、高抵抗分散は分散の測定結果につながる可能性があります。

文献[4]ビルド測定回路スイッチマトリックスは、この論文で提示されています。これは、低コスト、高精度のスキームですが、絶対値回路が必要です。文献[5]は、リレーオペアンプを組み合わせた方法で温度ドリフトの問題を克服できますが、アナログスイッチ方式を採用するには、オペアンプとリレーも多く必要であり、リレーには寿命があります。

第三に、新しいモノマー電池の電圧検出方法

1、全体計画

差動増幅器により、コモンモード信号の妨害を克服することができ、差分信号処理のみが可能です。各モノマーバッテリースイッチマトリックスの端を使用して、派生端子電圧測定を行うことができ、他のセルの影響を受けません。図2に示すスキーム全体の構造は、SB1とSB2が閉じ、他のすべてのスイッチがオフになり、差動アンプの増幅率をADコンバーターに変換した後、バッテリーのBT1電位の両端がそれぞれ差動アンプのプラス側とマイナス側に接続されます。 ; SB2とSB3が閉じ、電位差増幅器のプラス側とマイナス側の両端のバッテリーBT2がオフになると、他のすべてがオフになるため、バッテリーパックのすべてのモノマーバッテリー電圧を測定できます。

図のトポロジー

各リチウムイオン電池の最大電圧は5Vで、図3から取得できます。最初のINA117の3ピンの入力電位は40Vです。同様に、16番目のINA117の入力電圧の最小入力電圧は-40Vです。 1〜8個目のINA117の出力電圧は正、9〜16個目のINA117の出力電圧は負であるため、正と負の電圧を入力するには複数のアナログスイッチとA / Dコンバータが必要です。アナログスイッチを複数選択すると、MUX16が選択されます。MUX16は16選択の正および負の電圧入力アナログスイッチ1つであるため、16セルバッテリに必要なMUX16は1つだけです。ただし、シングルチップマイクロコンピュータのIOポートが制限されているため、この記事では、シングルチップマイクロコンピュータのみを使用して、74LS154を使用してIOポートを拡張しています。 4つのIOポートは、MUX16を制御して、電圧サンプリング用の単一セルリチウムイオンバッテリーを個別にストローブできます。

1.3 A / Dコンバータ

バッテリパックの監視では、非常に高いサンプリング速度で各バッテリの電圧をサンプリングする必要はありません。 16個のバッテリー電圧のサンプリングは1つのA / Dコンバーターを共有します[4]。バッテリの各セクションに入力される測定電圧は、マルチセレクションアナログスイッチMUX16を介してA / Dコンバータに接続されます。バッテリ電圧の更新サイクルと電圧要件によると、A / Dコンバータからシングルチップマイクロコンピュータに送信される電圧変換値の誤差は最大10mVです。 MaximusMAX1272を選択します。

MAX1272は障害保護であり、SPI 3線式通信プロトコル、+ 5 V電源、アナログ入力電圧範囲0〜10 V、0〜10 V、+ /を使用して、ソフトウェアシリアルアナログ-デジタルコンバータを介して12の入力範囲を選択できます。 -10 V、+ 5V自体+ 4.096V基準電圧。内部+4.096 V基準電圧を使用する場合、表1に示すように、理想的には対応するデジタル出力アナログ電圧入力。

表1からわかるように、MAX1272出力の最上位桁は符号ビットであり、残りの11ビットはデータです。負の数は補数の形で与えられます。

+ 4.096 V、1 LSB = 1.2207mVの基準電圧。

MAX1272の最大量子化誤差に、非直線性、オフセットなどの影響を加えたもので、合計誤差は約5mVです。 INA117の精度は高いです。通常の状態では、誤差は1mV以内です。したがって、INA117とMAX1272の組み合わせを使用すると、10MV未満の電圧エラーの要求に応じて、一連のリチウムイオン電池のバッテリ監視システムに対応できます。より高い電圧精度が必要で、より高い分解能のA / Dコンバーターを選択する必要があります。

図4に示すMAX1272の配線図。

図4では、MAX1272は内部基準電圧、VREF 6フィート、間接2.2muのタンタルコンデンサと0.1F uFセラミックコンデンサを使用しました。

PCBを配線するときは、両方のPCBをMAX1272にできるだけ近づける必要があります。

1.4温度監視

直列バッテリーパックの場合、従来の温度測定方法は、主にアナログ温度センサーを使用して測定し、データの収集および送信プロセス中の外部環境に対して脆弱であるため、測定結果の誤差が大きく、測定が多い場合に発生します。ポイント、接続はより複雑です。この論文では、シングルチップマイクロコンピュータとシングルバスデジタル温度センサーDS18B20を使用して、上記の問題を解決します。

外部5V電源を使用すると、バスは関節チップDS18B20にすることができ、外部駆動回路を必要とせずに同時に正確な温度変換を行うことができます。温度測定範囲と55〜+ 125℃、温度測定精度：プラスマイナス0.5℃の精度の範囲内で10〜+ 85℃で、温度取得、マイクロチップDS18B20コマンドワードの処理において、であるべきです同時にDS18B20温度も収集して読み取る必要があります。したがって、シングルチップマイクロコンピュータのコントローラI / Oは、双方向のデータ転送機能を持つように設定する必要があります。

この検出システムは、バス上のリチウムイオン電池のすべてのセクションでDS18B20の一部を接続し、8時の温度を検出しながら、8つの温度監視を設定します。温度値を表示する必要性を判断するためのシングルチップマイクロコンピュータソフトウェアによる実際のアプリケーションでは、10 ℃を超える温度の場合、最高温度値の8つの温度ポイント。温度が10 ℃未満の場合、8つの温度ポイントが最低温度値を表示し、効果的な合理的な温度監視結果を実現します。

1.5ファンと加熱制御回路

バッテリーの熱放散問題のために、ファン制御回路は、バッテリー温度値の判断を測定することに基づいて設計され、決定ファンがオンまたはオフになります。温度が高すぎると、マイクロコントローラーはファンに信号を送ります。

図6に示す回路、通常時の低電力のFAN、トランジスタ導通、この時点でのリレーはアクションなしで9014; 9014通常時の高電力のFAN、トランジスタ導通がリレーを吸収させると、FANは24未満で動作を開始しますv電源装置の電源電圧。

複雑なアプリケーション環境を備えたタンデムリチウムイオンバッテリーパックの場合、過度の温度の場合に加えて、温度が低すぎる場合を考慮してください。バッテリーは温度が低すぎる環境で動作するため、リチウムイオンの活性が低下し、埋め込みおよび抽出能力が低下し、グラファイト結晶の表面に堆積してリチウム金属を形成しやすくなります。形成されたリチウム金属は、電解質と不可逆的に反応します。

リチウムイオン電池を低温で長時間使用すると、電池の容量が大幅に低下します。そのため、ファン制御回路など、必要に応じてヒーター制御回路を設計しています。

2、監視システムのパフォーマンス

測定により、INA117、16を使用して1つのアナログスイッチMUX16、MAX1272、51シリーズMCU、およびDS18B20を使用して、16セクション3.7 Vリチウムイオン電池を監視するためのリチウムイオン電池監視システム、電圧測定誤差が完全に10mv以内であることが証明されました。 DS18B20の精度が高いため、温度は1 ℃以内の温度誤差です。電圧と温度の測定値は標準に達し、システムの信頼性の高い動作です。直列リチウムイオンバッテリーが2.2V未満のセクションのバッテリー電圧をパックすると、マイクロコントローラーは音と光のアラームでライトアラームを呼び出し、バッテリーの問題を引き起こします。

シリーズリチウムイオンバッテリーパックのいずれかのバッテリー電圧が> 5Vの場合、シングルチップマイクロコンピューターは音と光のアラームのために重大アラームプログラムを呼び出します。温度値が設定温度値の許容範囲を超えると、直列リチウムイオン電池監視システムが可聴および視覚アラームを実行します。ファンも加熱制御回路も、通常、設定温度に応じて制御回路を始動できます。温度が5°C未満になると、加熱制御回路が始動します。温度が50°Cを超えると、ファン制御回路が作動します。

3、結論

直列リチウムイオン電池テストシステムは、高い同相信号除去比の差動オペアンプINA117を使用して、一般的な問題を解決します。監視電圧誤差はプラスマイナス10MVです。検出精度をさらに向上させるために、高レベルのA / Dコンバータを選択できます。テスト時には、リチウムイオン電池が検出モジュールに直列に接続されており、配線が正しい必要があります。アプリケーションに応じて、複数の検出システムを直列に接続して、より多くの直列リチウムイオンバッテリパックを検出できますが、コモンモード電圧がINA117の最大保護コモンモード電圧範囲を超えないようにしてください。

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