鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn) ― 鋰電池管理系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

硬件的設(shè)計必須要實現(xiàn)對動力電池組的合理管理，首先必須保證采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;其次是可靠穩(wěn)定的系統(tǒng)控制;最后非常重要的是抗干擾性。在具體實現(xiàn)過程中，根據(jù)設(shè)計要求決定需要采集動力電池組的數(shù)據(jù)類型;根據(jù)采集量以及精度要求決定硬件的設(shè)計。

本文設(shè)計的鋰電池管理系統(tǒng)控制板附在鋰電池組上，由鋰電池組供電，作為在線管理系統(tǒng)實現(xiàn)實時管理功能基本功能如下：

1.電池信息實時采集及顯示，包括單體電壓、電池組總電壓、溫度、充放電電流;

2.剩余電量估計功能及顯示;

3. 8節(jié)鋰電池充/放電智能管理，當(dāng)電池電壓、充放電電流、電池溫度和剩余容量過低或過高時，發(fā)送報警信號;

4.在充、放電過程中對單體電池進(jìn)行均衡和診斷;

5.故障電池智能檢測/報警;

6.存儲鋰電池的充放電信息，可與上位機通信，在上位機檢查鋰電池的使用過程。

3.1鋰電池管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本鋰電池管理系統(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)框圖如下：

其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集電池的各種狀態(tài)參數(shù)，如電流、電壓、溫度;充電控制模塊按預(yù)充、恒流充電和恒壓充電三個階段進(jìn)行自動充電，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對充放電過程進(jìn)行控制;均衡模塊在適當(dāng)?shù)臅r候通過15W的開關(guān)電源對單個電池進(jìn)行均衡充電，使電池組中的電池更加均衡一致;電量估測單元主要是分析采集過來的狀態(tài)參數(shù)并根據(jù)研究試驗得出的電量估測算法，對電池的當(dāng)前電量進(jìn)行估測;數(shù)據(jù)顯示單元采用圖文液晶顯示屏，可顯示各節(jié)電池電壓，充放電電流，剩余電量，電池溫度和充電時間;存儲通信單元通過存儲芯片定時把充放電信息(電壓，電流，充放電時間等)存儲起來，可通過串口與電腦通信，在電腦上顯示充放電信息。

3.2 ATMEGA8L處理器簡介

ATMEGA8L是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機，它在吸收了PIC及8051單片機優(yōu)點的基礎(chǔ)上，做出了重大的改進(jìn)，速度快，性價比高，能在線編程，在一個芯片內(nèi)將增強性能的RISC 8位CPU與可下載的FLASH相結(jié)合使其成為適合于許多要求、具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。它具有以下特性：

● 高性能、低功耗的8位AVR微處理器

● 先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)

- 130條指令——大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期

- 32個8位通用工作寄存器-全靜態(tài)工作

- 工作于16 MHz時性能高達(dá)16MIPS

- 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器

● 非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器

- 8K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，擦寫壽命：10，000次

- 具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時讀寫操作

- 512字節(jié)的EEPROM擦寫，壽命：100，000次

- 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM -可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密

● 外設(shè)特點

- 兩個具有獨立預(yù)分頻器8位定時器/計數(shù)器，其中之一有比較功能

- 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器

- 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC

- 三通道PWM - TQFP與MLF封裝的8路ADC10位ADC

- PDIP封裝的6路ADC10位ADC

- 面向字節(jié)的兩線接口-兩個可編程的串行USART

- 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口

- 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器

- 片內(nèi)模擬比較器

● 特殊的處理器特點

- 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測

- 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器

- 片內(nèi)/片外中斷源-

5種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby模式

3.3采樣模塊電路設(shè)計

3.3.1電壓采樣的實現(xiàn)

鋰離子電池在充電時為防止過充損壞電池，要求其端電壓嚴(yán)格控制在4.2 V以下，本電池管理系統(tǒng)采用圖3-1所示電壓檢測方案。

其工作原理是：

首先MCU控制的多路開關(guān)Kn-1、Kn-2(n=1，2，3，4，5，6，7)，同步地將電容分別的接到各單元電池兩端，使電容充電且使電容電壓等于被測單元電池的電壓;然后MCU控制多路開關(guān)n1 K、n2 K斷開，同時合上開關(guān)K1和K2接入A/D進(jìn)行測量。此方案可直接使用微處理器內(nèi)的10位共地A/D，不需要另外單獨加入A/D，節(jié)省了設(shè)計成本[4]。在實際電路中模擬開關(guān)采用繼電器實現(xiàn)。

3.3.2電流采樣的實現(xiàn)

電流是電池容量估計的關(guān)鍵參數(shù)。因此對其電流的采樣的精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差的要求都很高。在實際中采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-NP，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)計的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉(zhuǎn)為0-5V的電壓信號，送至單片機的A/D轉(zhuǎn)換可測得充放電電流。其工作原理如圖3-3所示：

其工作特性曲線如圖3-4所示：

圖中VREF為參考點電壓，默認(rèn)為2.5V;IP為被測量電流。