引言



鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、電壓高、功率大、自放電少以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為動力電池的主流。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，因此在應(yīng)用時需要進(jìn)行一定的管理。另外鋰電池對充放電的要求很高，當(dāng)出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時，會使鋰電池溫度上升，嚴(yán)重破壞鋰電池性能，導(dǎo)致電池壽命縮短。當(dāng)鋰電池串聯(lián)使用于動力設(shè)備中時，由于各單節(jié)鋰電池間內(nèi)部特性的不一致，會導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充、放電的不一致。一節(jié)性能惡化時，整個電池組的行為特征都會受到此電池的限制，降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能，延長使用壽命，必須要對鋰電池在充、放電時進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，提供過壓、過流、溫度保護(hù)和電池間能量均衡。

本文設(shè)計(jì)的動力鋰電池組管理系統(tǒng)安裝在鋰電池組的內(nèi)部，以單片機(jī)為控制核心，在實(shí)現(xiàn)對各節(jié)鋰電池能量均衡的同時，還可以實(shí)現(xiàn)過充、過放、過流、溫度保護(hù)及短路保護(hù)。通過LCD顯示電池組的各種狀態(tài)，并可以通過預(yù)留的通信端口讀取各節(jié)鋰電池的歷史性能狀態(tài)。

系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)



動力鋰電池智能管理系統(tǒng)主要由充電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(包括電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)采集)、均衡模塊、電量計(jì)算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖



整個系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，通過采集電流信息，判斷出電池組是在充電、放電還是在閑置狀態(tài)及是否有過流現(xiàn)象，并對其狀態(tài)做出相應(yīng)處理。對各節(jié)電池電壓進(jìn)行采集分析后，系統(tǒng)決定是否啟動均衡模塊對整個電池組進(jìn)行能量均衡，同時判斷是否有過充或過放現(xiàn)象。溫度的采集主要用于系統(tǒng)的過溫保護(hù)。整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電流、各節(jié)電壓、剩余電量及溫度信息都會通過液晶顯示模塊實(shí)時顯示。下面對其各個模塊的實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行介紹。

微控制器ATmega8

本系統(tǒng)采用的微控制器是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機(jī)ATmega8。該單片機(jī)具備AVR高檔單片機(jī)系列的全部性能和特點(diǎn)，支持在線編程(ISp)，只需要一條可自制的下載線就可以進(jìn)行單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)。其中ATmega8單片機(jī)有6路A/D轉(zhuǎn)換通道，其中有4路為10位精度，在設(shè)計(jì)中可直接用于電池電壓的測量。ATmega8的各項(xiàng)性能使其成為適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、成本低的嵌入式高效微控制器，特別適合在開發(fā)階段使用。

充電控制模塊原理與實(shí)現(xiàn)

鋰電池常規(guī)充電法是按預(yù)充、恒流、恒壓三個階段進(jìn)行的，時序圖如圖2所示。

圖2常規(guī)充電法時序圖

由于管理系統(tǒng)是隨電池組一起放在電池箱內(nèi)，且充電器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充電器形成閉環(huán)控制，就會使該管理系統(tǒng)的通用性降低。為實(shí)現(xiàn)高通用性，使管理系統(tǒng)和外部的充電器單獨(dú)工作，本電池管理系統(tǒng)采用間歇式充電法，如圖3所示。

圖3間歇式充電法時序圖

間歇式充電法是在預(yù)充和保持階段通過間歇地打開和關(guān)閉充電回路，等效地改變充電電流的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在預(yù)充和保持狀態(tài)時需要小電流、在正常充電時需要大電流的的性能要求。

在對帶有管理系統(tǒng)的電池組進(jìn)行充電時，需要外接與之匹配的恒壓電源充電器，對其恒壓值U的要求為：U=4.2V×N+損耗電壓，其中N為電池節(jié)數(shù)。

限流值為該動力鋰電池的常規(guī)充電電流0.3C(C為電池容量)，在進(jìn)行充電前必須先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后按照間歇式充電法對電池組自動充電。

電壓采樣模塊原理與實(shí)現(xiàn)

鋰離子電池在充電時要求其端電壓控制在4.2V以下，為防止過充損壞電池，要求必須在充電時實(shí)時檢測各單節(jié)鋰電池電壓。管理系統(tǒng)采用圖4所示的電壓采樣檢測方案。其工作原理是：首先把單刀雙擲開關(guān)K1、K2向上打到電壓測量檔，并通過MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2(n=1、2、3、4、5、6、7)，同步地將電容分別接到各單節(jié)電池兩端，使電容充電至電容電壓等于被測單節(jié)電池的電壓；然后斷開MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2，同時合上開關(guān)K3和K4接入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量。該方案可直接使用微處理器內(nèi)的10位A/D轉(zhuǎn)換器，不需要另外加入A/D芯片，節(jié)省了設(shè)計(jì)成本。實(shí)際電路中的模擬開關(guān)采用繼電器實(shí)現(xiàn)。

均衡模塊原理與設(shè)計(jì)

動力電池組是由多個單節(jié)電池串聯(lián)組成的電池模塊，由于電池個體之間內(nèi)部特性的差異，若干次充、放電后，電池組會失衡，嚴(yán)重影響動力電池組的效率與安全。另外，電池組在充放電過程中的過充電、過放電、電流過大、溫度過高等現(xiàn)象會加劇電池間特性的差異，從而引起單節(jié)鋰電池之間容量、電壓等性能的不平衡，最終導(dǎo)致電池組整體特性的急劇衰退和部分電池的加速損壞。因此在鋰電池組合使用時必須要解決各個單節(jié)電池在電池組中的平衡問題。

電池組中各節(jié)電池電量的均衡可采用電阻均衡、電容均衡、變壓器均衡等多種方案。由于本管理系統(tǒng)是針對大容量的動力鋰電池組，若采用電阻均衡，均衡速度快但將會有過多的能量白白浪費(fèi)掉；電容均衡雖然不額外耗能，但是均衡電流一般較小，很難勝任動力鋰電池之間的均衡。故本均衡模塊采用兼顧效率和速度的變壓器均衡方案。在具體設(shè)計(jì)中直接采用DC/DC開關(guān)電源模塊。由于開關(guān)電源模塊具有功耗小、效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，將其直接作為均衡模塊使用是一個很好的選擇。在具體使用時，根據(jù)檢測到的各單節(jié)電池的電壓值判斷是否需要對電池組進(jìn)行能量均衡。若需要，閉合均衡總開關(guān)K5，開關(guān)K1、K2向下打到均衡檔，用電池組的整體能量對電壓最低節(jié)電池進(jìn)行額外的均衡充電，直到各節(jié)電池電壓值的差別在系統(tǒng)要求范圍之內(nèi)。原理圖如圖4所示。

圖4電壓采樣、均衡充電原理圖

電流采樣的實(shí)現(xiàn)

電流是電池容量估計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此對電流采樣的精度、抗干擾能力和線性度誤差的要求都很高。在本設(shè)計(jì)中采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-Np，如圖5所示，

圖5LTSR25-Np實(shí)物圖

該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應(yīng)時間。其額定電流為25A，最高可測80A的電流，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉(zhuǎn)換為0V~5V的電壓信號，送至單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后可測得充放電電流，測量精度為0.2A。其工作特性曲線如圖6所示。

圖6電流傳感器LTSR25-Np工作特性曲線

圖中以VREF為參考點(diǎn)電壓，默認(rèn)為2.5V，Ip為被測量電流。

溫度采樣的實(shí)現(xiàn)

電池管理系統(tǒng)中的溫度檢測采用的是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它是單片結(jié)構(gòu)，無需外加A/D轉(zhuǎn)換器即可輸出9~12位的數(shù)字量。通信采用單總線協(xié)議，對DS18B20的各種操作通過一條數(shù)據(jù)線即可完成。因?yàn)槊總€DS18B20都含有唯一的序列碼，使每條總線上可同時連接多個DS18B20，這就使得DS18B20連線簡單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，適合用于多點(diǎn)測溫系統(tǒng)，特別是與單片機(jī)合用構(gòu)成的溫度檢測與控制系統(tǒng)。

顯示模塊的實(shí)現(xiàn)

LCD顯示選用DM12864M漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊。該模塊可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字(16×16點(diǎn)陣)、128個字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM。主要技術(shù)參數(shù)和顯示特性如下：

電源VDD：3.3V~5V(內(nèi)置升壓電路，無需負(fù)壓)；

顯示內(nèi)容：128列×64行；

LCD類型：STN；

與MCU的接口：8位或4位并行/3位串行；

多種軟件功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。

本系統(tǒng)使用串行接口，通過液晶模塊可顯示電池組總電壓、各單節(jié)電池電壓、充放電電流、充放電時間、工作溫度以及剩余電量等。

數(shù)據(jù)存儲通信模塊的實(shí)現(xiàn)

鋰電池管理系統(tǒng)在鋰電池充放電過程中把充放電信息，包括各節(jié)電池的電壓、充放電電流、工作溫度、電池電量等通過采樣實(shí)時寫入Flash存儲芯片SST25VF020中保存。在需要時，可通過串口與上位pC機(jī)通信把存儲在Flash中的歷史數(shù)據(jù)讀到pC上。

SST25VF020是SST25VF系列Flash存儲芯片。其芯片具有以下特點(diǎn)：總?cè)萘繛?M；單電源讀和寫操作，工作電壓為2.7V~3.3V；低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3μA；時鐘頻率高達(dá)33MHz；數(shù)據(jù)可保存100年；其封裝為SOIC和小尺寸的WSON封裝。實(shí)際應(yīng)用電路如圖7所示。

圖7FLASH存儲器電路原理圖

軟件設(shè)計(jì)



該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用單片機(jī)C語言完成，主要包括單體電壓測量程序、電流檢測程序、溫度檢測程序、能量均衡程序、充電管理程序、LCD顯示程序及數(shù)據(jù)存儲通信程序等幾個程序模塊。其主流程圖如圖8所示。

圖8主流程圖



電壓測量程序

通過單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊測量單節(jié)電池的電壓值。為了提高測量的精度，軟件采用“篩值平均”的軟件濾波方法。在對每節(jié)電池的模擬量進(jìn)行測量時，連續(xù)測量多次，然后篩去最高值和最低值，再對剩余的測量值取平均值，以獲得最佳的測量結(jié)果。然后根據(jù)電壓的計(jì)算方式，獲得電池的電壓。在電壓測量完成后，運(yùn)行“冒泡排序”的程序，對所有的電池電壓進(jìn)行排序，標(biāo)記出最低、最高電池，為均衡模塊服務(wù)。

充電管理程序

通過檢測到的單節(jié)電池電壓判斷電池所處的充電階段，并利用單片機(jī)的脈寬調(diào)制輸出(pWM)來控制MOSFET以實(shí)現(xiàn)預(yù)充階段的小電流充電和保持充電階段的脈沖充電。當(dāng)檢測到電池充電完畢后，自動斷開充電回路。充電管理模塊通過檢測到的電壓、電流、溫度值判斷電池是否工作在正常狀態(tài)，如出現(xiàn)過壓、過流或溫度過高等現(xiàn)象，立刻通過MOSFET關(guān)閉充放電回路，并點(diǎn)亮故障提示燈。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)為動力鋰電池組提供了智能管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)為電池組提供了各種保護(hù)及能量均衡控制，最大限度地發(fā)揮了鋰電池組的整體性能。開發(fā)出的樣機(jī)通過在7節(jié)50AH串聯(lián)雷天鋰電池組上試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)最大均衡電流為2.5A，均衡效率為80%左右，性能完全滿足動力鋰電池組能量均衡的要求，具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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