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于手攜式工具、筆記本電腦、通訊電臺以及便攜式電子設備、航天衛星、電動自行車、電動汽車、儲能裝置中。為了使電池組的可用容量最大化及提高電池組的可靠性，電池組中的單體電池性能應該一致，從而需對單體電池進行監控，即需要對單體電池的電壓進行測量。
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個電阻對的阻值嚴格匹配，否則將影響電池組電壓的檢測精度，該方法使用中為了減少檢測線漏電流對電池組一致性的影響，需要增加電阻的阻值，這樣將增加了大規模生產的難度并降低了檢測精度。而電流檢測型的檢測電路中僅需要一個電阻對的阻值匹配，為了提高檢測的精度，需要小阻值的電阻匹配，但增大了檢測線漏電流。在實際使用過程中為了減小檢測線漏電流對電池組一致性的影響，以及減少電壓檢測電路的功耗，需要在電壓檢測線路上增加開關控制器件，往往采用光耦或者光電繼電器。
電流型電壓檢測電路具有較好的性能，但當電壓低于2V時無法進行檢測，本文首先對電流型電壓檢測電路進行了改進，擴大了電壓檢測范圍。其次以改進的電壓檢測電路并以光電繼電器作為控制開關，對影響電壓檢測精度的因素進行了分析和實驗，最后通過一種電子開關的方式來取代光電繼電器，從而提高了電壓檢測精度。
2 影響電壓測量精度的因素分析
電流型電壓檢測電路測量精度高，但也存在著一定的缺陷，首先為了測量精度高，必須盡可能的減小電阻對的阻值，這必然增加了檢測電路的漏電流；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系統地之間的電壓一般要大于3V以上，由于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于兩節單體電池以上，對于電池組中靠近系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于2.5V時，電流型電壓檢測電路將無法檢測，而電池的電壓檢測范圍要求檢測到1V以下，而改進后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節單體電池的電壓，該電路可以對多串電池組的電壓進行測量，并且不受串聯節數的限制，而對串聯電池組中的第一節單體電壓不用采用該電路測量，可直接測量或者通過電阻分壓得到。該電路的工作原理如下：在電路正常工作時，運放處于放大狀態，運放的1、3腳為虛短虛斷狀態，即3腳的電壓等于CELLn+1端的電壓，而由于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于發射極到集電極的電流可以忽略，于是第n+2 節單體電池的電壓為：
CELLn+2_V=I*R2=（VCELLn+1-VCELLn+2）R2/R1 （2）
由于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用于保證電路可靠工作，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制開關，如圖2所示，當需要檢測電池電壓時，通過控制端打開光電繼電器，檢測完關閉光電繼電器，可有效減少檢測時的漏電流對電池組一致性的影響。
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檢測范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）采樣系統的偏差，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。光電繼電器的特性，受溫度和導通內阻的影響都較多，為了驗證光電繼電器導致的測量誤差，在不同溫度調節下對光電繼電器和電壓檢測電路進行了實驗，在光電繼電器上壓降如圖3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于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) 采樣系統的測量誤差。由于采樣系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
通過上述的實驗結果可知，在常溫工作中影響電池組電壓檢測精度的主要因素是光電繼電器，而在不同溫度下影響檢測精度的主要因素是光電繼電器和采樣系統的偏差。可以看出光電繼電器是影響電壓檢測精度的主要因素，而在實際應用中這部分往往被忽視，而僅僅關注于電壓檢測電路的誤差，從而造成了測量精度的較大偏差。
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，而采樣系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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可以看出采樣系統的誤差相對于常溫，高溫和低溫的偏向為同一方向，因此無法用直線擬合，可以通過溫度分段解決。電壓檢測電路部分的誤差也可以通過校正來減少，而光電繼電器部分的誤差較大，可以通過電子開關來取代，如圖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制時間就達到1ms，影響了采樣的速度，而采用了電子開關后導通和關斷的時間都非常快，可大幅提高采樣的速度，圖6中由于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于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，為了提高系統的可靠性，防止由于電阻R7、R8的虛焊或者漏焊導致M1被擊穿，電阻R7、R8一般采用并聯的方式。
圖6 電子開關原理圖
通過以上的措施后，并在實驗數據處理中，采用溫度分段模式，用來校正電壓檢測電路以及采樣系統的誤差，可提高電壓檢測的精度，實驗結果表明常溫下實際電壓測量誤差小于5mV。
5 結論
本文通過對電壓檢測電路中的電流源型電路進行有效改進，并通過實驗來分析導致電壓檢測誤差的因素，結果顯示光電繼電器是一個主要的影響因素。因此通過一種簡單實用的電子開關來取代光電繼電器，并通過溫度分段校正來減少電壓檢測電路和采樣系統的誤差，從而大幅提高了電壓檢測的精度。本文的提出的檢測電路簡單，成本低，測量精度高，具有很好的實用價值。
