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【浩博电池资讯】关于36V锂电池组保护电路对电动车的作用分析和应用

发布者:【浩博电池资讯】 发布时间:2020-09-21 15:09:27 点击量:1405
随着电动自行车的逐渐普及,电动自行车的主要能源---锂电池也成为众人关心的焦点。 锂电池"> 锂电与镍镉、镍氢电池不太一样,因其能量密度高,对充放电要求很高。 当过充、过放、过流及 短路 保护等情况发生时,锂电池内的压力与热量大量增加,容易产生爆炸,因此通常都会在电池包内加 保护电路 ,用以提高锂电池的使用寿命。 针对目前电动车锂电池组所用的保护 电路 大多都由分立原件构成,存在控制精度不够高、技术指标低、不能有效保护锂电池组等特点,本文中提出一种基于 单片机 的电动车36 V锂电池组(由10节3. 6 V锂电池串联而成)保护电路设计方案,利用高性能、低功耗的ATmega1 6L 单片机作为检测和控制核心,用由MC34063构成的DC /DC变换控制电路为整个保护电路提供 稳压电源 ,辅以LM60 测温、MOS管I RF 530N作充放电控制 开关 ,实现对整个电池组和单个电池的状态 监控 和保护功能,达到延长电池使用寿命的目的。

1 保护电路硬件设计
本系统以单片机为数据处理和控制的核心,将任务设计分解为电压 测量电流测量、温度测量、开关控制、电源、均衡充电等功能模块。 系统的总体框图如图1所示。

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图1 系统的总体框图

电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路,加到信号采集部分的A /D输入端。 A /D模块将输入的模拟信号转换为数字信号,并传输给单片机。 单片机作为数据处理和控制的核心,一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态,一方面根据这些状态参数控制驱动大功率开关。 由于使用了单片机,使系统具有很大的灵活性,便于实现各种复杂控制,从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。
1. 1 ATmega16 L单片机模块
从低功耗、低成本设计角度出发,单片机模块采用高性能、低功耗的ATmega16 L单片机作为检测与控制核心。 ATmega16 L 是基于增强的A VRR ISC结构的低功耗8位CMOS微控制器,内部带有16 k 字节的系统内可编程Flash, 512 字节EEP ROM, 1 k字节S RAM, 32个通用 I/O口线, 32个通用工作 寄存器(用于边界扫描的JTAG 接口,支持片内调试与编程) , 3个具有比较模式的灵活 定时器/计数器( T/C) (片内/外中断) ,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口, 8路10位具有可选差分输入级可编程增益( TQFP封装)的 ADC,具有片内 振荡器的可编程 看门狗定时器,一个SP I串行端口,以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。 由于其先进的指令集以及单 时钟周期指令执行时间,ATmega16 L的数据吞吐率高达1M IPS/MHz,从而可以缓减系统功耗和处理速度之间的矛盾。

单片机的输入输出设计如图2所示。 由电源部分降压、稳压得到的3. 3 V电压通过端口10为单片机提供工作电压;端口12和13为反向振荡 放大器与片内时钟操作电路的输入端和反向振荡放大器的输出端,为单片机提供工作 晶振;端口30是端口A与A /D转换器的电源,使用ADC时通过一个低通 滤波器与端口10的VCC连接;端口37,38的ADC3, ADC2是经过转换后待检测的电压、电流值;端口39, 40的ADC1,ADC0是经过 温度传感器转换后的温控电压值。

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图2 单片机的外围电路设计

1. 2 稳压 电源模块
稳压电源是单片机系统的重要组成部分,它不仅为系统提供多路电源电压,还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。 ATmega16 L单片机的工作电压为2. 7~5. 5 V,为保证单片机稳定的工作电压为3. 3 V. 稳压部分是由MC34063构成的DC /DC变换控制电路,从电池组分出的25 V电压经过电路降压、稳压,输出3. 3 V,供保护电路工作,其电路如图3所示。

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图3 稳压电源模块电路

1. 3 充电均衡模块
采用 模拟电路方案。 即在每节电池的外部搭建过压保护电路,充电过程中当电压超过预定值时,保护电路自动闭合,使电池通过 电阻回路放电,以保护电池不会过度充电。 当电池电压减小到均衡充电动作电压4. 18 V时,保护电路自动断开。
1. 4 电压电流测量模块
待测的电压通过集成 运算放大器LM358,将输出送至单片机进行检测。 LM358内部包括2个独立、高增益、内部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压范围很宽的单电源使用和双电源工作模式,由于其低功耗电流,也适合于电池。 用霍尔 传感器UGN - 3501 M 检测直流电流。 UGN -3501M是集 成型霍尔传感器,采用差动霍尔电压输出,检测灵敏度为1. 4 V /0. 1T.
电压电流检测电路的设计如图4 所示。 运算放大器LM358的5, 6引脚所接的BB,AA为待测的充电、放电电压,经过放大后由7脚输出至单片机进行检测,当检测到待测电压达到过充、过放保护电压时,由单片机控制断开充放电回路。 电流检测通过霍尔传感器完成,如图4所示,将从UGN -3501M1, 8引脚输出的霍尔电压uH 接至LM358的3, 4引脚,经过放大后从1 脚输出ADC3 至单片机,进行过电流保护。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引脚连接调整 电位器,用以补偿不等位电势,同时改善线性。 调整5, 6引脚外接电阻R16,可使输出霍尔电压uH 与磁场强度有较好的线性关系。

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图4 电压电流检测电路

1. 5 温度检测模块
温度检测和控制模块选用电压输出型的半导体温度传感器LM60. 该传感器是一种已校正的集成化温度传感器,它的工作温度范围是- 40 ℃至125 ℃,工作电压范围是2. 7 V至10 V. 信号输出与温度成正比,信号大小可达+ 6. 25 mV /℃。
基于LM60的温度检测电路如图5所示。 由稳压部分输出的3. 3 V 电源为此电路供电,经过温度传感器将探测点的温度转化为电压值通过ADC0,ADC1输出,再将ADC0, ADC1送入单片机进行检测,当电压值达到温控要求时,单片机控制开关通断。

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图5 温度检测电路

1. 6 开关模块
开关采用 MOSFET,型号选用P沟道的MOS管的IR530N. 工作原理:单片机控制端口输出高电平,功率 三极管导通,功率 场效应管的栅极和漏极之间产生压降,功率场效应管导通。
2 软件设计
本系统软件采用C语言编写,处理程序采用 模块化编程, 程序运行的环境是ICCAVR 开发系统。
在电池组空载的时候,系统进入掉电模式,以使功耗降至最低;当电池组接入负载或对电池组充电时,单片机被激活,由低功耗掉电模式转入正常工作模式,并持续运作。 整个程序的流程如图6所示。

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图6 程序流程

根据本系统的模块分布,单片机程序分为电压测量模块、电流测量模块和温度测量模块,每一模块调用共同A /D转换函数和延时判断函数等,以缩短代码长度和增强程序代码的可读性。 下面给出程序主函数的代码:
void m ain (void)
{
int ( ) ; / /单片机初始化,打开所有开关;
sleep ( ) ; / /单片机进入休眠模式;
int sign |= 1;
while ( sign = = 1 ) / /判断系统是否运行正常;
{ int( ) ;
dianya ( ) ; / /调用测压模块;
delay(30000) ;
delay(30000) ;
dianliu ( ) ; / /调用测流模块;
delay(30000) ;
delay(30000) ;
wendu ( ) ; / /调用温度模块;
delay(30000) ;
delay(30000) ;
}
int ( ) ;
sign |= 1;
main ( ) ;
}

3 结束语

通过实验,本保护电路系统实现了全部基本功能。 与传统采用分离元件的电池保护系统相比,本文中提出基于单片机的电池保护电路系统具有系统体积小、功能多、功耗低、成本低等特点,可用于工业生产。


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