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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(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為動(dòng)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(shí)變特性，因此在應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行一定的管理。另外鋰電池對(duì)充放電的要求很高，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電、放電電流過(guò)大或電路短路時(shí)，會(huì)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(dòng)力設(shè)備中時(shí)，由于各單節(jié)鋰電池間內(nèi)部特性的不一致，會(huì)導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充、放電的不一致。一節(jié)性能惡化時(shí)，整個(gè)電池組的行為特征都會(huì)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(zhǎng)使用壽命，必須要對(duì)鋰電池在充、放電時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供過(guò)壓、過(guò)流、溫度保護(hù)和電池間能量均衡。
本文設(shè)計(jì)的動(dòng)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(duì)各節(jié)鋰電池能量均衡的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流、溫度保護(hù)及短路保護(hù)。通過(guò)LCD顯示電池組的各種狀態(tài)，并可以通過(guò)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(dòng)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(chǔ)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(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，通過(guò)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(guò)流現(xiàn)象，并對(duì)其狀態(tài)做出相應(yīng)處理。對(duì)各節(jié)電池電壓進(jìn)行采集分析后，系統(tǒng)決定是否啟動(dòng)均衡模塊對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行能量均衡，同時(shí)判斷是否有過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象。溫度的采集主要用于系統(tǒng)的過(guò)溫保護(hù)。整個(gè)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(huì)通過(guò)液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示。下面對(duì)其各個(gè)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(guó)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(kāi)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(cè)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(kāi)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(gè)階段進(jìn)行的，時(shí)序圖如圖2所示。
圖2 常規(guī)充電法時(shí)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(huì)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(shí)序圖
間歇式充電法是在預(yù)充和保持階段通過(guò)間歇地打開(kāi)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(shí)需要小電流、在正常充電時(shí)需要大電流的的性能要求。
在對(duì)帶有管理系統(tǒng)的電池組進(jìn)行充電時(shí)，需要外接與之匹配的恒壓電源充電器，對(duì)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(dòng)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(duì)電池組自動(dòng)充電。?
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電壓采樣模塊原理與實(shí)現(xiàn)??
鋰離子電池在充電時(shí)要求其端電壓控制在4.2V以下，為防止過(guò)充損壞電池，要求必須在充電時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(cè)方案。其工作原理是：首先把單刀雙擲開(kāi)關(guān)K1、K2向上打到電壓測(cè)量檔，并通過(guò)MCU控制的多路開(kāi)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(cè)單節(jié)電池的電壓；然后斷開(kāi)MCU控制的多路開(kāi)關(guān)Kn-1、Kn-2，同時(shí)合上開(kāi)關(guān)K3和K4接入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測(cè)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(kāi)關(guān)采用繼電器實(shí)現(xiàn)。
均衡模塊原理與設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池組是由多個(gè)單節(jié)電池串聯(lián)組成的電池模塊，由于電池個(gè)體之間內(nèi)部特性的差異，若干次充、放電后，電池組會(huì)失衡，嚴(yán)重影響動(dòng)力電池組的效率與安全。另外，電池組在充放電過(guò)程中的過(guò)充電、過(guò)放電、電流過(guò)大、溫度過(guò)高等現(xiàn)象會(huì)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(shí)必須要解決各個(gè)單節(jié)電池在電池組中的平衡問(wèn)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(duì)大容量的動(dòng)力鋰電池組，若采用電阻均衡，均衡速度快但將會(huì)有過(guò)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(dòng)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(kāi)關(guān)電源模塊。由于開(kāi)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(gè)很好的選擇。在具體使用時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的各單節(jié)電池的電壓值判斷是否需要對(duì)電池組進(jìn)行能量均衡。若需要，閉合均衡總開(kāi)關(guān)K5，開(kāi)關(guān)K1、K2向下打到均衡檔，用電池組的整體能量對(duì)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(duì)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5 LTSR25-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(shí)間。其額定電流為25A，最高可測(cè)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(hào)，送至單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換后可測(cè)得充放電電流，測(cè)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(cè)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(cè)采用的是美國(guó)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(wú)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(duì)DS18B20的各種操作通過(guò)一條數(shù)據(jù)線即可完成。因?yàn)槊總€(gè)DS18B20都含有唯一的序列碼，使每條總線上可同時(shí)連接多個(gè)DS18B20，這就使得DS18B20連線簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，適合用于多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)，特別是與單片機(jī)合用構(gòu)成的溫度檢測(cè)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(gè)中文漢字(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)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(wú)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(guò)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(shí)間、工作溫度以及剩余電量等。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(guò)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(guò)采樣實(shí)時(shí)寫入Flash存儲(chǔ)芯片SST25VF020中保存。在需要時(shí)，可通過(guò)串口與上位PC機(jī)通信把存儲(chǔ)在Flash中的歷史數(shù)據(jù)讀到PC上。
SST25VF020是SST25VF系列Flash存儲(chǔ)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(shí)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7? FLASH存儲(chǔ)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(yǔ)言完成，主要包括單體電壓測(cè)量程序、電流檢測(cè)程序、溫度檢測(cè)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(chǔ)通信程序等幾個(gè)程序模塊。其主流程圖如圖8所示。
圖8 主流程圖
電壓測(cè)量程序
通過(guò)單片機(jī)的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊測(cè)量單節(jié)電池的電壓值。為了提高測(cè)量的精度，軟件采用“篩值平均”的軟件濾波方法。在對(duì)每節(jié)電池的模擬量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，連續(xù)測(cè)量多次，然后篩去最高值和最低值，再對(duì)剩余的測(cè)量值取平均值，以獲得最佳的測(cè)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(cè)量完成后，運(yùn)行“冒泡排序”的程序，對(duì)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(guò)檢測(cè)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(lái)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(cè)到電池充電完畢后，自動(dòng)斷開(kāi)充電回路。充電管理模塊通過(guò)檢測(cè)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(guò)壓、過(guò)流或溫度過(guò)高等現(xiàn)象，立刻通過(guò)MOSFET關(guān)閉充放電回路，并點(diǎn)亮故障提示燈。
結(jié)語(yǔ)?
本設(shè)計(jì)為動(dòng)力鋰電池組提供了智能管理系統(tǒng)，通過(guò)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(kāi)發(fā)出的樣機(jī)通過(guò)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(dòng)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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