串联电池组电压转换电路的研究

第 25 卷 第 5 期 2007 年 9 月 北京工商大学学报 (自然科学版) Journal of Beijing Technology and Business University (Natural Science Edition) Vol125 No15 Sep. 2007 　　文章编号 :167121513 (2007) 0520029205 串联电池组电压转换电路的研究 林佩君 , 　姜久春 (北京交通大学 电气学院 , 北京 　100044) 摘　要 : 了现有串联电池组电压转换电路存在的问题 ,提出了一种基于三极管的电压转 换电路 ,分析了电路原理 ,进行了仿真和试验. 结果表明该电路具有较高的转换精度 ,且成本低、重 量轻、体积小 ,是电动自行串联电池组电压测量的有效解决方案. 关键词 : 电动自行车 ; 串联电池组 ; 电压 ; 三极管 中图分类号 : TM13 　　　　　文献标识码 : A 收稿日期 : 2007 04 28 作者简介 : 林佩君 (1980 —) ,女 ,陕西宝鸡人 ,硕士研究生 ,研究方向为微机测控技术、电力电子. 　　蓄电池电压是蓄电池参数中的重要指标之一 , 在电池的充电过程中需根据电压来决定充电进程 ; 以电压值作为充放电的上下限 ;根据电压推断电池 容量 ;以及根据电池充放电时的电压时间曲线来判 断电池好坏. 目前 ,单节蓄电池的电压难以满足实 际需要 ,通常采用数节蓄电池串联使用. 单独测量 一节电池电压并不难 ,但在串联电池组中 ,多节电池 串联会带来很高的共模电压 ,这给单体电池电压测 量带来了困难. 1 　现有检测方案 在目前的串联蓄电池电压检测方案中 ,主要的 两种方法是共模测量和差模测量. 共模测量是相对 同一参考点 ,采用转换电路衰减各点电压进行测量 , 然后依次相减得到各节电池电压. 这种测量方法电 路简单 ,但是测量精度也等比例降低 ,只适合串联电 池数较少或者对测量精度要求不高的场合. 差模测量是通过开关电路选通单节电池进行直 接测量. 当串联电池节数较多 ,对测量精度要求较 高时 ,只能采用差模测量. 由于两个测量端存在较 高的共模电压 ,所以不能采用模拟开关选通 ,也不能 直接测量. 工业上广泛采用有触点的继电器实现多 路电压选通 ,但存在很多缺点 :继电器动作速度慢 , 存在明显的噪音和开关寿命的限制 ,需要驱动电路 , 重量和体积偏大[1 ] . 111 　电阻分压方案 该方案中 ,通过电阻分压 ,将实际电压衰减到测 量芯片可接受的电压范围 ,原理如图 1 . 由图可见 , B 1 的电压转换为 U 1 , B 1 + B 2 的电压转换为 U 2 , B 1 + B 2 + B 3 的电压转换为 U 3 ,依此类推. 读取到 的转换电压通过减法计算后乘以衰减倍率得到测量 值. 转换电路产生的 U 1 、U 2 、U 3 、U n 为共地信号 , 因此测量较为方便 ,只要通过多路开关切换 ,就可以 对转换电压分别采样. 该方案成本低 ,寿命长 ,但是 存在累计误差 ,且无法消除. 随着电池节数的增多 , 单体电池电压测量误差会随着共模电压的增大而增 大[2 ] . 图 1 　电阻分压方案示意 112 　继电器开关切换方案 该方案是通过继电器切换 ,每次引出一节单体 电池电压进行测量 ,原理如图 2 . 可以看出 ,该种方 法产生的 U 1 、U 2 、U 3 等尽管是非共地信号 ,但由于 在同一时刻只有一个继电器接通 ,因此可将上面获 得的电压作为共地信号处理 ,测量较为方便. 目前 ,采用光控 MOS 继电器 (无触点) 实现上 92 述电路较为简单 ,并且由于继电器采用了无触点开 关 ,寿命也得到了延长. 这种方案的精度较高 ,但由 于一次只能测量一路电压 ,因此在电池节数较多的 情况下 ,需要的测量时间较长. 图 2 　继电器切换方案示意 113 　分布式测量系统方案 该方案中 ,单体电池采用独立的测量电路 ,测量 电路之间不存在共地问题 ,各组测量电路之间通过 　　 隔离总线相连 ,上面配备监控主机 ,通过总线检测各 模块电压 ,见图 3 . 该方案的测量速度快 ,可以各节 之间同时测量 ,测量精度高 ,并且单节的测量电路可 以单独更换. 但是也存在一些缺点 ,如检测电路的 系统复杂、体积较大、成本过高. 图 3 　分布式测量系统方案示意 上述方案各存在优缺点 ,表 1 给出了上述方案 的优缺点比较结果. 表 1 　各方案优缺点比较 安装 检修 累积误差 安全性 寿命 价格 电磁兼容 电阻 复杂 困难 大 低 长 低 一般 继电器 复杂 困难 没有 低 中等 中等 一般 分布式 简单 容易 没有 高 长 高 高 2 　转换电路的实际要求和现有方案存 在的问题 　　电动自行车电池电压转换电路的要求 :1) 考虑 到电动自行车本身的造价 ,检测电路应当成本低、寿 命长 ;2) 为更好地保护使用电池 ,电压检测电路应当 保证一定的测量精度 ;3) 电动自行车内部空间有限 , 电路体积不能过大. 分布式的检测方案具有可同时测量 ,精度高的 优点 ,但它体积大 ,造价高 ,多用于电动汽车等整体 造价较高的蓄电池电压检测电路中 ,对电动自行车 则不适用. 光继电器检测方案中每测量一节电池电压 ,需 要两路光继电器进行切换 ,一般将十几节电池串联 使用 ,采用集成的双路光继电器价格在 10 元左右 , 对电动自行车而言 ,转换电路的成本仍旧过高. 因 此 ,目前电动自行车中的电压转换电路一般采用电 阻分压方案 ,虽然成本较低 ,但误差大 ,测量精度低. 3 　三极管转换电路及其工作原理 本研究提出了一种基于三极管的电压转换电 路 ,电路原理如图 4 . 图 4 　三极管电压转换电路原理 03 北京工商大学学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　　 　2007 年 9 月 　　QA 、QB 由 CPU 控制 ,在不需要测量时关断 ,减 小测量电路在闲置时对电池电量的消耗 ; V B1为串 联电池组中的接地端 ,可对它直接测量 ; V B2电压由 电阻分压计算得到 ,由于只有两节电池串联 ,采用精 密电阻可得到较精确的转换电压 ;从第三节开始 ,使 用转换电路中的典型电路 ,该电路的转换原理如下 : 如图 4 , V B3 、R2 、Q1 、Q2 组成一个回路 ,由基尔 霍夫电压定律可知 , V B3 = I E ×R3 + V EB2 - V EB1 , (1) 适当选择 R2 、R3 、I E、I1 的大小 ,令 R2 = R3 　I E≈ I1 , (2) 由于 Q1 、Q2 的射极电流基本相同 ,则 Q1 、Q2 的工 作点基本相同 ,有 V EB1≈ V EB2 , (3) 得 : V B3≈ I E ×R2 . (4) 令 Q1 、Q2 工作在放大区 ,有 I E≈ IC 　又 　R2 = R3 , (5) 得 V B3≈ I E ×R2≈ IC ×R3 = V M3 . (6) 由电路原理可知 ,由于 I E 大于 IC ,在 R2 = R3 的条件下 ,转换电压会小于测量电压. 只要前 n - 1 路电池电压总和能够使三极管 Q1 工作在放大区 内 ,那么 Q1 与 Q2 的 V EB就能保持较小差异 ,此时 第 n 路仍能输出较高精度的电压 ,因此前 n - 1 路 电池电压总合在很大范围波动对第 n 路的电压转 换值影响不大 ,故在电池组内各节电池正常连接时 , 第 n 节的测量值 ,只与 n 节电池电压有关 ,与其它 电池电压基本无关[3 ] . 如果三极管 Q1 、Q2 具有较高的一致性 ,那么 V EB1 、V EB2的差异将非常小 ,甚至可以忽略不计 ,这 时 ,转换值 V M3和真值 V B3之间的误差就基本取决 于 R2 、R3 的精度 ,如果希望得到不大于 1 %的误 差 ,则应选取误差小于 015 %的精密电阻[3 ] . 要得到较高精度的转换电压 ,可以采用多个封 装在一起的三极管. 在同一片晶体上集成的几个三 极管相似度高 ,基极电流差异小 ,温度特性一致性 高 ,这些能够进一步提高电压转换精度. 4 　电路、仿真及试验 根据实际情况 ,需检测包含 12 节电池的电池 组 ,其中单体电池电压标称值为 313 V ,电压最大波 动范围在 2～4 V . 转换电路的设计思路如下 :为提 高电压转换精度 ,需采用相似度高的三极管 ;电压转 换电路由电池组供电 ,为减小能耗 ,应在保证正常工 作的条件下尽量减小转换电路的工作电流 ;采用精 密电阻提高转换精度. 转换电路设计 : 三极管采用安森美生产的 BC856BDW1 T1 ,该芯片内集成了两个 PNP 三极 管 ,能够保证较高的相似度 ;选取三极管静态工作电 压为 313 V ,静态工作电流根据三极管特性曲线选 取在 110μA ;电阻选用误差 015 %的精密电阻 , R2 = R3 = 30 K , R1 选取的阻值满足 I1 = 110μA . 411 　仿真结果 采用 EWB 作为仿真试验软件 ,由于 EWB 对元 件数量的限制 ,只对 10 节电池进行了仿真. 第一节 电池转换电压是直接引出 ,第二节电池转换电压是 电阻分压 ,和本文需研究的电压转换原理无关 ,故略 去. 仿真结果从第三节电池电压开始 ,如表 2 ,仿真 误差曲线如图 5 . 表 2 　电压转换电路仿真试验结果 电池电压 2 V 时 的转换电压/ V 误差/ % 电池电压 313 V 时 的转换电压/ V 误差/ % 电池电压 4 V 时 的转换电压/ V 误差/ % B 3 1. 969 3 - 1. 54 3. 260 5 - 1. 20 3. 954 7 - 1. 13 B 4 1. 973 5 - 1. 33 3. 263 1 - 1. 12 3. 956 7 - 1. 08 B 5 1. 975 4 - 1. 23 3. 264 4 - 1. 08 3. 957 8 - 1. 06 B 6 1. 976 4 - 1. 18 3. 264 9 - 1. 06 3. 958 4 - 1. 04 B 7 1. 977 0 - 1. 15 3. 265 2 - 1. 05 3. 958 7 - 1. 03 B 8 1. 976 3 - 1. 19 3. 264 3 - 1. 08 3. 957 7 - 1. 06 B 9 1. 977 8 - 1. 11 3. 265 7 - 1. 04 3. 958 9 - 1. 03 B 10 1. 978 0 - 1. 10 3. 265 8 - 1. 04 3. 959 1 - 1. 02 13第 25 卷 第 5 期 　　　　　　　　　　林佩君等 : 串联电池组电压转换电路的研究 图 5 　不同电压下转换电压误差仿真结果 　　仿真结果表明 ,电池电压从 2 V 波动到 4 V ,测 量误差变化不大 ,始终保持在 2 %以下. 在电压增大 　　 的过程中 ,转换电压误差有逐渐减小的趋势 ,原因是 仿真试验中三极管随着工作电压的增大 ,放大倍数 有所增加. 由工作原理可知 ,三极管放大倍数越大 , I E 与 IC 差异越小 ,故转换电压误差会随之减小. 在 本仿真试验中 ,三极管的放大倍数约在 40 倍左右. 412 　试验结果 根据上述电路设计制作了电路板并进行了试 验 ,转换电压试验结果如表 3 ,电压转换结果曲线如 图 6 ,电压转换误差曲线如图 7 . 表 3 　电压转换试验结果 电池电压/ V 转换电压/ V 误差/ % 电池电压/ V 转换电压/ V 误差/ % B 3 3 . 336 3 . 324 - 0 . 36 B 4 3 . 335 3 . 326 - 0 . 27 B 5 3 . 336 3 . 318 - 0 . 54 B 6 3 . 336 3 . 320 - 0 . 48 B 7 3. 335 3. 326 - 0. 27 B 8 3 . 336 3 . 330 - 0 . 18 B 9 3 . 336 3 . 334 - 0 . 06 B 10 3 . 335 3 . 336 0 . 03 B 11 3 . 336 3 . 326 - 0 . 30 B 12 3. 336 3. 330 - 0. 18 图 6 　电压转换结果 图 7 　电压转换误差 413 　仿真与试验结果对比分析 对仿真与试验结果进行对比分析 ,可以看出 ,在 实际电路试验中 ,转换电压的误差远远小于仿真试 验 ,最大为 0154 % ,最小仅为 0103 % ,通过对电阻校 准 ,转换精度还可进一步提高 ;实际的转换电路误差 曲线与仿真曲线有着较大的差异 ,曲线走向并不相 同. 原因如下 : 1) 实际转换电路中使用了集成三极管 ,管子间 的差异小 ;此外 ,采用的三极管放大倍数很高 ,在所 选工作点附近的放大倍数约为 180 倍左右 ,远远大 于仿真试验中三极管的放大倍数 ,因此实际的转换 电压误差要小于仿真试验中的误差. 2) 实际电路结果和仿真试验结果的误差曲线 走向不同 ,这是因为转换电路原理中存在转换误差 , 仿真电路中的电阻为理想元件 ,误差决定于三极管 参数 ;在实际电路中 ,误差不仅由三极管带来 ,电阻 也会带来一定误差 ,因此虽然仿真和试验中的电阻 选取一致 ,但误差曲线不同. 414 　温度对转换精度的影响 温度变化会影响管子内部载流子的运动 ,从而 V EB 、β都会发生变化. 在转换电路中 ,由于两个三 极管相似度高 ,此时 V EB的变化被很好地相互抑制 , 对转换精度影响不大 ;放大倍数β会随温度的增大 而增大 ,因此电压转换精度会随温度的增高逐渐增 大. 通过对转换电路的温度试验 ,证实了上述分析. 5 　结　论 三极管电压转换电路与其它检测方案相比具有 很多优点 :与继电器方案相比 ,造价低 ,且能同时测 量多节单体电池电压 ,测量速度快 ;与电阻分压方案 相比 ,能够有效地消除累积误差 ,保证较高的测量精 度 ,且测量精度不会因电池节数的增加而下降 ;各路 的转换精度之间没有影响 ,只与本路转换电路的元 件参数有关 ;电路成本低 ,重量轻、体积小、电路简单 23 北京工商大学学报 (自然科学版) 　　　　　　　　　　　　 　2007 年 9 月 可靠. 试验结果表明 ,该电路能满足电动自行车电压 检测电路的价格要求、精度要求、寿命要求、空间要 求 ,是所有方案中的最佳选择. 参考文献 : [1 ] 　李树靖 ,林凌 ,李钢. 串联电池组电池电压测量方法的 研究 [J ] . 仪器仪表学报 , 2003 , 24 (4S) : 212 213 , 215. 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Key words : electric2bicycle ; series battery pack ; voltage ; dynatron (责任编辑 :檀彩莲) (上接第 28 页) RESEARCH ON NETWORK CONTROL ROBOT BASED ON VIRTUAL REALITY ZHAN Xiao2lei , 　XIN Hong2bing , 　XU Zheng2xing ( College of Mechancial Engi neeri ng and A utom ation , Beiji ng Technology and B usi ness U niversity , Beiji ng 100037 , Chi na) Abstract : The characteristics of teleoperator determines the special relationship with virtual reality , virtual reality technology provides a st rong technical support to the field of robot . In this paper , the concept of teleoperator and virtual reality technology were introduced , and pointed out necessity of the research on network control robot based on virtual reality. Key words : teleoperat ; teleoperator ; virtual reality (责任编辑 :檀彩莲) 33第 25 卷 第 5 期 　　　　　　　　　　林佩君等 : 串联电池组电压转换电路的研究