【浩博电池资讯】动力锂电池组智能管理系统设计

锂电池因为具有体积小、质量轻、电压高、功率大、自放电少以及运用寿命长等优点，逐渐成为动力电池的主流。可是因为锂离子电池具有显着的非线性、不一致性和时变特性，因此在使用时需求进行必定的办理。另外锂电池对充放电的要求很高，当呈现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度上升，严重破坏锂电池功能，导致电池寿命缩短。当锂电池串联运用于动力设备中时，因为各单节锂电池间内部特性的不一致，会导致各节锂电池充、放电的不一致。一节功能恶化时，整个电池组的行为特征都会受到此电池的约束，下降全体电池组功能。为使锂电池组可以最大程度地发挥其优胜功能，延长运用寿命，必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控，供给过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。
本文规划的动力锂电池组办理体系安装在锂电池组的内部，以单片机为操控核心，在完结对各节锂电池能量均衡的一起，还可以完结过充、过放、过流、温度保护及短路保护。经过LCD显现电池组的各种状况，并可以经过预留的通讯端口读取各节锂电池的前史功能状况。
体系全体计划规划

动力锂电池智能办理体系主要由充电模块、数据收集模块(包含电压、电流、温度数据收集)、均衡模块、电量核算模块、数据显现模块和存储通讯模块组成。体系框图如图1所示。

图1 办理体系结构框图

整个别系以单片机为主操控器，经过收集电流信息，判别出电池组是在充电、放电还是在闲置状况及是否有过流现象，并对其状况做出相应处理。对各节电池电压进行收集分析后，体系决定是否发动均衡模块对整个电池组进行能量均衡，一起判别是否有过充或过放现象。温度的收集主要用于体系的过温保护。整个别系的作业状况、电流、各节电压、剩下电量及温度信息都会经过液晶显现模块实时显现。下面临其各个模块的完结办法进行介绍。
微操控器 ATmega8
本体系选用的微操控器是美国ATMEL公司推出的一种高功能8位单片机ATmega8。该单片机具备AVR高档单片机系列的悉数功能和特色，支持在线编程(ISP)，只需求一条可自制的下载线就可以进行单片机体系的开发。其间ATmega8单片机有6路A/D转化通道，其间有4路为10位精度，在规划中可直接用于电池电压的丈量。ATmega8的各项功能使其成为适应性强、灵敏性高、成本低的嵌入式高效微操控器， 特别适合在开发阶段运用。
充电操控模块原理与完结
锂电池常规充电法是按预充、恒流、恒压三个阶段进行的，时序图如图2所示。

图2 常规充电法时序图
因为办理体系是随电池组一起放在电池箱内，且充电器是外置的，因此假如增加通讯接口和外接充电器形成闭环操控，就会使该办理体系的通用性下降。为完结高通用性，使办理体系和外部的充电器独自作业，本电池办理体系选用间歇式充电法，如图3所示。

图3 间歇式充电法时序图
间歇式充电法是在预充和坚持阶段经过间歇地打开和关闭充电回路，等效地改变充电电流的巨细，然后完结在预充和坚持状况时需求小电流、在正常充电时需求大电流的的功能要求。
在对带有办理体系的电池组进行充电时，需求外接与之匹配的恒压电源充电器，对其恒压值U的要求为：U=4.2V×N+损耗电压，其间N为电池节数。
限流值为该动力锂电池的常规充电电流0.3C(C为电池容量)，在进行充电前必须先进行体系的初始化，然后依照间歇式充电法对电池组主动充电。

电压采样模块原理与完结
锂离子电池在充电时要求其端电压操控在4.2V以下，为防止过充损坏电池，要求必须在充电时实时检测各单节锂电池电压。办理体系选用图4所示的电压采样检测计划。其作业原理是：首先把单刀双掷开关K1、K2向上打到电压丈量档，并经过MCU操控的多路开关Kn-1、Kn-2 (n=1、2、3、4、5、6、7)，同步地将电容别离接到各单节电池两头，使电容充电至电容电压等于被测单节电池的电压；然后断开MCU操控的多路开关Kn-1、Kn-2，一起合上开关K3和K4接入A/D转化器进行丈量。该计划可直接运用微处理器内的10位A/D转化器，不需求另外参加A/D芯片，节省了规划成本。实际电路中的模拟开关选用继电器完结。
均衡模块原理与规划
动力电池组是由多个单节电池串联组成的电池模块，因为电池个别之间内部特性的差异，若干次充、放电后，电池组会失衡，严重影响动力电池组的功率与安全。另外，电池组在充放电过程中的过充电、过放电、电流过大、温度过高级现象会加重电池间特性的差异，然后引起单节锂电池之间容量、电压等功能的不平衡，终究导致电池组全体特性的急剧衰退和部分电池的加快损坏。因此在锂电池组合运用时必须要处理各个单节电池在电池组中的平衡问题。
电池组中各节电池电量的均衡可选用电阻均衡、电容均衡、变压器均衡等多种计划。因为本办理体系是针对大容量的动力锂电池组，若选用电阻均衡，均衡速度快但将会有过多的能量白白浪费掉；电容均衡尽管不额定耗能，可是均衡电流一般较小，很难担任动力锂电池之间的均衡。故本均衡模块选用统筹功率和速度的变压器均衡计划。在详细规划中直接选用DC/DC开关电源模块。因为开关电源模块具有功耗小、功率高、体积小、质量轻等优点，将其直接作为均衡模块运用是一个很好的选择。在详细运用时，依据检测到的各单节电池的电压值判别是否需求对电池组进行能量均衡。若需求，闭合均衡总开关K5，开关K1、K2向下打到均衡档，用电池组的全体能量对电压最低节电池进行额定的均衡充电，直到各节电池电压值的差别在体系要求范围之内。原理图如图4所示。

图4 电压采样、均衡充电原理图
电流采样的完结
电流是电池容量估计的要害参数，因此对电流采样的精度、抗干扰才能和线性度差错的要求都很高。在本规划中选用LEM公司的闭环电流传感器LTSR25-NP，如图5所示，

图5 LTSR25-NP实物图
该元件具有超卓的精度、杰出的线性度和最佳的反应时间。其额定电流为25A，最高可测80A的电流，满足体系规划的要求。该电流传感器可把充放电电流转化为0V~5V的电压信号，送至单片机的10位A/D转化器进行转化后可测得充放电电流，丈量精度为0.2A。其作业特性曲线如图6所示。

图6 电流传感器LTSR25-NP 作业特性曲线
图中以V_REF为参考点电压，默以为2.5V，I_P为被丈量电流。
温度采样的完结
电池办理体系中的温度检测选用的是美国DALLAS半导体公司出产的数字温度传感器DS18B20。它是单片结构，无需外加A/D转化器即可输出9~12位的数字量。通讯选用单总线协议，对DS18B20的各种操作经过一条数据线即可完结。因为每个DS18B20都含有唯一的序列码，使每条总线上可一起连接多个DS18B20，这就使得DS18B20连线简单，体系规划灵敏，适合用于多点测温体系，特别是与单片机合用构成的温度检测与操控体系。
显现模块的完结
LCD显现选用DM12864M汉字图形点阵液晶显现模块。该模块可显现汉字及图形，内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显现RAM。主要技术参数和显现特性如下：
电源VDD：3.3V~5V(内置升压电路，无需负压)；
显现内容：128列×64行；
LCD类型：STN；
与MCU的接口：8位或4位并行/3位串行；
多种软件功能：光标显现、画面移位、自定义字符、睡觉模式等。
本体系运用串行接口，经过液晶模块可显现电池组总电压、各单节电池电压、充放电电流、充放电时间、作业温度以及剩下电量等。
数据存储通讯模块的完结
锂电池办理体系在锂电池充放电过程中把充放电信息，包含各节电池的电压、充放电电流、作业温度、电池电量等经过采样实时写入Flash存储芯片SST25VF020中保存。在需求时，可经过串口与上位PC机通讯把存储在Flash中的前史数据读到PC上。
SST25VF020是SST25VF系列Flash存储芯片。其芯片具有以下特色：总容量为2M；单电源读和写操作，作业电压为2.7V~3.3V；低功耗，作业电流为7mA，等候电流为3μA；时钟频率高达33MHz；数据可保存100年；其封装为SOIC和小尺寸的WSON封装。实际使用电路如图7所示。

图7 FLASH存储器电路原理图

软件规划

该体系的软件规划选用单片机C言语完结，主要包含单体电压丈量程序、电流检测程序、温度检测程序、能量均衡程序、充电办理程序、LCD显现程序及数据存储通讯程序等几个程序模块。其主流程图如图8所示。

图8 主流程图

电压丈量程序
经过单片机的10位A/D转化模块丈量单节电池的电压值。为了进步丈量的精度，软件选用“筛值平均”的软件滤波办法。在对每节电池的模拟量进行丈量时，连续丈量屡次，然后筛去最高值和最低值，再对剩下的丈量值取平均值，以取得最佳的丈量结果。然后依据电压的核算方式，取得电池的电压。在电压丈量完结后，运行“冒泡排序”的程序，对所有的电池电压进行排序，标记出最低、最高电池，为均衡模块服务。
充电办理程序
经过检测到的单节电池电压判别电池所处的充电阶段，并利用单片机的脉宽调制输出(PWM)来操控MOSFET以完结预充阶段的小电流充电和坚持充电阶段的脉冲充电。当检测到电池充电结束后，主动断开充电回路。充电办理模块经过检测到的电压、电流、温度值判别电池是否作业在正常状况，如呈现过压、过流或温度过高级现象，立刻经过MOSFET关闭充放电回路，并点亮毛病提示灯。

结语
本规划为动力锂电池组供给了智能办理体系，经过该体系为电池组供给了各种保护及能量均衡操控，最大限度地发挥了锂电池组的全体功能。开发出的样机经过在7节50AH串联雷天锂电池组上试验，完结最大均衡电流为2.5A，均衡功率为80%左右，功能完全满足动力锂电池组能量均衡的要求，具有很好的使用前景和推行价值。

参考文献

1. 马潮，詹卫前，耿德根. ATmega8原理及使用手册. 北京: 清华大学出版社，2002
2. 王羲悦. 动力锂电池期待驱动未来. 新材料产业 NO.8 2007
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4. 李慧琪. 根据CAN总线的锂离子动力电池组办理体系. 机电工程技术，2007年第36卷第01期
5. 何华，吴桔生. 一种改进锂电池充放电的办法. 福建师范大学福清分校学报. 2006年第2期