一种改进的串联电池组单体电池电压测量方法_林引

图 １ 单 体 电 池 电 压 测 量 电 路
由图１可得
Ｉｉ
＝
Ｕｎ＋ －Ｕｎ－ Ｒ１
（１）
与三极管转换 电 路 相 比，该 测 量 电 路 不 必 使 用
低输入电压偏移漂 移 的 运 算 放 大 器，而 采 用 普 通 运
算放大器就能够 实 现 高 精 度、低 功 耗、低 温 漂 测 量，
收 稿 日 期 ：２０１３－０３－１９。 基 金 项 目 ：中 煤 科 工 集 团 重 庆 研 究 院 自 立 项 目 （ＣＱ１１２２）。 作 者 简 介 ：林 引 （１９７９－ ），男 ，四 川 资 中 人 ，工 程 师 ，硕 士 ，主 要 从 事 煤 矿 安 全 监 控 系 统 相 关 技 术 研 究 工 作 ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｉｄｌｉｎｙｎ＠１６３．ｃｏｍ。
况 下 ，输 入 端 仍 保 持 高 阻 状 态 ，这 是 一 种 非 正 常 状 态 的 应 用 ，需 要 考 虑 以 下 因 素 ：
（１）不 是 所 有 的 运 算 放 大 器 都 允 许 在 失 去 供 电 电 源 的 情 况 下 ，输 入 端 仍 保 持 较 高 电 压 。
（２）失去供 电 电 源 的 情 况 下，输 入 端 能 否 保 持 高阻状态，没有一个 公 司 的 数 据 手 册 中 给 出 确 切 数 据。所以这种指标 完 全 可 能 会 因 不 同 生 产 厂 家，甚 至不同生产批次而改变。所以应用本测量方法时， 应对运算放大器的这一指标进行检测或筛选。
ＭＯＳＦＥＴ 管的源栅极电流非常小，则
Ｉｉ ＝Ｉｏ
（３）
而输出端电压为
图 ２ 改 进 的 单 体 电 池 电 压 测 量 电 路
３ 方 法 测 试
为了更好地验证改进的单体电池电压测量方法 的可行 性，把 测 试 电 路 运 用 于 目 前 使 用 比 较 多 的 １２Ｖ 等级 的 镍 氢 电 池 组 进 行 验 证。 第 １ 节 电 池 的 电压正好在采样范 围 内 可 以 直 接 采 样 测 量，第 ２ 节
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ａｎｄ ＭＯＳＦＥＴ，ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｌｌｏｗｅｒ ｉｓ ａｄｄｅｄ ａｔ ｔｗｏ ｅｎｄｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｂａｔｔｅｒｙ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ； ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｅｌａｙ ｉｓ ａｄｄｅｄ ａｓ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｎｏｔ ｃｏｎｓｕｍｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｕｎｄｅｒ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｏｆｆ；ｚｅｎｅｒ ｄｉｏｄｅ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ｐｒｅｖｅｎｔ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ ｏｆ ＭＯＳＦＥＴ．Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔ ｖａｌｉｄａｔｅｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｅｔｈｏｄ．
图３ 测量０．９Ｖ 电压时电压与温度的关系
５ 结 语
根据现有的运算放大器和 ＭＯＳＦＥＴ 管相结 合 的基本单体电池电 压 测 量 方 法 存 在 的 不 足，提 出 了 一种改进的测量 方 法。 测 试 结 果 表 明，改 进 的 测 量 方法具有电路简 单、测 量 精 度 高、温 度 漂 移 小、漏 电 流 小 、成 本 低 等 优 点 ，有 较 高 的 实 用 价 值 。
比如 ＬＭ３２４［５］，其典型的偏置漂移为±７μＶ／℃，假 设在温升为５０ ℃的条件下，引起的电压偏差为
ΔＵ｜μＶ ＝７×５０＝３５０
（２）
这就意味着 运 算 放 大 器 有 ０．３５ ｍＶ 偏 差 需 要
补偿，对 于 １．２ Ｖ 的 电 池 来 说，运 算 放 大 器 仅 引 起
０．０３％ 的 误 差 。 由 于 运 算 放 大 器 的 高 输 入 阻 抗 以 及
关 键 词 ：矿 用 隔 爆 箱 ；串 联 电 池 组 ；电 压 测 量 ；漏 电 流 ；高 精 度 中 图 分 类 号 ：ＴＤ６７９ 文 献 标 志 码 ：Ｂ 网 络 出 版 时 间 ：２０１３－０６－０３ １４：１１ 网 络 出 版 地 址 ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／３２．１６２７．ＴＰ．２０１３０６０３．１４１１．０２７．ｈｔｍｌ
一种改进的串联电池组单体电池电压测量方法
林 引 ， 邓 飞 ， 刘 亚 辉
（中 煤 科 工 集 团 重 庆 研 究 院 ，重 庆 ４０００３９）
摘要：针对基于运算放大器和 ＭＯＳＦＥＴ 管的串联电池组单体电池 电压测量 方法存在 漏 电流 的问题，提 出 了 一 种 改 进 的 电 压 测 量 方 法 。 在 每 节 电 池 的 两 端 增 加 了 一 个 电 压 跟 随 器 ，可 有 效 降 低 漏 电 流 ；增 加 了 光 电 继电器作为运算放大器的电源开关，使电压测量电路在断 电状态下 不消 耗电 流；增 加 了 一 个 稳 压 二 极 管，以 防止 ＭＯＳＦＥＴ 管被击穿。测试结果验证了改进方法的有效性。
第３９卷 第６期 ２０１３ 年 ６ 月
工矿自动化
Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ａｎｄ Ｍｉｎｅ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．６ Ｊｕｎ．２０１３
文 章 编 号 ：１６７１－２５１Ｘ（２０１３）０６－０１０６－０３ ＤＯＩ：１０．７５２６／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－２５１Ｘ．２０１３．０６．０２７ 林 引 ，邓 飞 ，刘 亚 辉 ．一 种 改 进 的 串 联 电 池 组 单 体 电 池 电 压 测 量 方 法 ［Ｊ］．工 矿 自 动 化 ，２０１３，３９（６）：１０６－１０８．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｎｅ－ｕｓｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ－ｐｒｏｏｆ ｂｏｘ；ｓｅｒｉｅｓ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ；ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ； ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｃｙ
０ 引 言
ＧＢ ３８３６．２—２０１０中 规 定：禁 止 铅 酸 蓄 电 池 作 为 不 间 断 电 源 的 备 用 电 池 使 用［１］，可 允 许 的 充 电 蓄 电池是镍镉、镍氢、锂 电 池，并 且 明 确 了 当 电 池 容 量 大于１．５Ａ·ｈ 时，需 安 装 电 池 安 全 保 护 装 置。 该 装置需要在充电时当电池组任何一节单体电池电压 过高时关闭充电，在 放 电 时 当 任 何 一 节 电 池 电 压 偏 低时关闭放电。因 此，对 串 联 电 池 组 中 任 何 一 节 电 池 电 压 的 可 靠 、准 确 测 量 ，可 以 有 效 避 免 保 护 装 置 误 动作，从而保证在断 电 条 件 下 传 感 器 等 设 备 能 正 常 运 行 ２ｈ 及 以 上 。
Ｕｎｏ ＝ＩｏＲ３ 由 式 （１）— 式 （３）可 得
（４）
Ｕｎｏ
＝
Ｒ３
Ｕｎ＋ －Ｕｎ－ Ｒ１
（５）
当 Ｒ１＝Ｒ３ 时，则
Ｕｎｏ ＝Ｕｎ＋ －Ｕｎ－
（６）
对于锂电池、镍 镉 电 池、镍 氢 电 池，其 单 节 电 池
电 压 均 小 于 ５ Ｖ，可 用 单 片 机 直 接 测 量 。
２ 改 进 的 电 压 测 量 电 路 应 用
Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｖｏｌｔａｇｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ
ＬＩＮ Ｙｉｎ， ＤＥＮＧ Ｆｅｉ， ＬＩＵ Ｙａ－ｈｕｉ （Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＣＴＥＧ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００３９，Ｃｈｉｎａ）
２０１３ 年第 ６ 期
林 引 等 ：一 种 改 进 的 电 池 组 单 体 电 池 电 压 测 量 方 法
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间较长、测试系统 体 积 偏 大 等 缺 点。Ｖ／Ｆ 转 换 法 的 缺 点 是 响 应 速 度 慢 、在 小 信 号 范 围 内 线 性 度 差 、精 度 低。线性电路直接 采 样 法 原 理 简 单，但 当 电 池 数 量 较多时，电路将变 得 非 常 复 杂，造 成 系 统 体 积 大、成 本高。三极管转换 电 路 法 成 本 较 低，采 用 了 分 立 元 件，但由于对应的三 极 管 的 参 数 需 要 匹 配 会 造 成 比 较大的偏差 。 ［３］ 运 算 放 大 器 和 ＭＯＳＦＥＴ 管 相 结 合 的方法存在当测量 电 路 处 于 不 工 作 状 态 时，测 量 回 路有漏电流的问题 。 ［４］
在实 际 使 用 过 程 中，当 运 算 放 大 器 的 工 作 电 源 断开时，由于电池电 压 在 运 算 放 大 器 的 正 负 极 形 成 了一个回路，电路存在着大约０．５ ｍＡ 的漏电流，虽 然电流非常小，但对 长 期 处 于 储 存 的 电 池 系 统 来 说 是一个不小的消 耗。 因 此，需 要 针 对 此 问 题 对 电 池 测量电路进行改进。改进的单体电池电压测量电路 如 图 ２ 所 示 。 与 基 本 的 测 量 电 路 相 比 ，其 改 进 之 处 ： 在每节电池的正负 极 增 加 了 一 个 电 压 跟 随 器，这 样 可 以 使 输 入 阻 抗 达 到 兆 级 以 上 ，大 大 降 低 漏 电 流 ；同 时增加了光电继电器作为运算放大器电源的开关， 使电压测量电路在 断 电 状 态 下 不 消 耗 电 流；电 路 中 增 加 了 一 个 稳 压 二 极 管 以 防 止 ＭＯＳＦＥＴ 管 被 击穿。
本文采用的单体电池电压测量法是基于运算放 大器和 ＭＯＳＦＥＴ 管 相 结 合 的 方 法，并 针 对 其 不 足 进行改进的一种测量方法。