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)

3.3.3溫度采樣的實現(xiàn)

3.3.3.1溫度傳感器DS18B20簡介

電池溫度是系統(tǒng)評估電池的SOC和判斷電池能否正常使用的關(guān)鍵性參數(shù)，溫度影響電池的充電效率，同時如果電池的溫度超過一定值，有可能造成電池的不可恢復(fù)性破壞。電池組之間的溫度差異造成電池組單體之間的不均衡，從而造成電池壽命的降低。

本電池管理系統(tǒng)中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，同時該數(shù)據(jù)線還可兼做電源線，即具有寄生電源模式。因為對于每個DS18B20都含有唯一的序列碼，所以每條總線上可同時連接多個DS18B20.這使得DS18B20連線簡單，系統(tǒng)設(shè)計靈活，適合于多種測溫系統(tǒng)，特別是與單片機合用構(gòu)成的溫度檢測與控制系統(tǒng)。

DS18B20的內(nèi)部主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗碼發(fā)生器等七部分。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性可電擦除的EEPROM.后者用于存儲用戶設(shè)定的溫度報警上下限值TH，TL.前者內(nèi)部的配置寄存器可用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間就越長。因此，在實際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時間之間權(quán)衡考慮。

高速暫存存儲器除了配置寄存器外，還有其他8個字節(jié)組成。其中第1，2字節(jié)為溫度信息、第3，4字節(jié)為TH和TL值、第6——8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1;第9字節(jié)讀出的是前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。

DS18B20將轉(zhuǎn)換的溫度值以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1，2字節(jié)。對應(yīng)的溫度計算：當符號位S=0時，直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制;當S=1時，先將補碼變換為原碼，再計算十進制值。

工作中系統(tǒng)對DS18B20的操作以ROM命令和存儲器命令形式出現(xiàn)。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳過ROM(CCH)、搜索ROM(FOH)和告警搜索(ECH)

命令。暫存器指令分別為：寫暫存存儲器(4EH)，讀暫存存儲器(BEH)、復(fù)制暫存存儲器(48H)、溫度轉(zhuǎn)換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

3.3.3.2溫度檢測電路設(shè)計及工作原理

溫度檢測系統(tǒng)，采用直接電源供電方式。當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10μs.由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。同時由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號競爭問題。

在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機逐個與DS18B20掛接，讀出其序列號。其工作過程為：主機發(fā)一個脈沖，待“0”電平大于480μs后，復(fù)位DS18B20，待DS18B20所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機接收后，主機再發(fā)讀ROM命令代碼33H(低位在前)，然后發(fā)一個脈沖(15μs)并接著讀取DS18B20序列號的一位。用同樣方法讀取序列號的56位。對于系統(tǒng)的DS18B20操作的總體流程圖，它分三步完成：1.系統(tǒng)通過反復(fù)操作，搜索DS18B20序列號;2.啟動所有在線DS18B20做溫度A/D變換;3.讀出在線DS18B20變換后的溫度數(shù)據(jù)。主機啟動溫度變換并讀取溫度值;主機寫入存儲器數(shù)據(jù)。當有更多的檢測點需要測溫時，利用ATMEGABL的其它口進行擴展。具體電路圖如下：

3.4充電控制模塊設(shè)計

常規(guī)充電法是按預(yù)充、恒流、定壓三階段進行，時序圖如圖3-6所示：

為提高充電效率，本電池管理系統(tǒng)的預(yù)充和定壓充電階段采用間歇式充電法，如圖3-7所示：

對裝有電池管理系統(tǒng)的鋰離子電池組充電時，必須外接與之匹配的恒壓限流型的電源括配器。其恒壓值U為

U=4.2*N+損耗電壓

式中：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)，在實行充電前必須先進行系統(tǒng)的初始化，然后才按預(yù)充、恒流充電和恒壓充電三個階段進行自動充電。

1.初始化

雖然初始化階段并未開始對電池充電，但卻是整個充電過程很重要的一步。智能能源管理模塊在此階段對自身進行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時檢測充電條件是否符合充電要求：

(1)外接充電電源極性是否正確;

(2)外接充電電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi);

(3)當時溫度是否在允許范圍內(nèi);

(4)鋰離子電池端電壓(各單體)是否在允許的最低充電電壓以上;

(5)鋰離子電池端電壓(各單元)是否高于過充電檢測電壓;

2.預(yù)充

預(yù)充電不是每次都要進行，其目的是當電池過度放電、存放時間太長或電池已經(jīng)損壞，電池端電壓已經(jīng)低于鋰離子電池允許的最低充電壓以下時，必須以小的電流(約為正常充電電流的1/10)進行預(yù)充，使鋰離子電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上，才能轉(zhuǎn)為下一個充電程序——恒流充電。

預(yù)充原理是電源適配器通過MCU控制向電池施加一個比較小的充電電流(約為正常充電電流的1/10)，使得低于允許的最低充電壓以下的電池在固定的時間內(nèi)達到最低允許充電電壓值，避免將深度放電的電池認為是不可充的電池。

如圖3-8所示，本模塊的預(yù)充是電源適配器通過預(yù)充開關(guān)管S1、電阻R4、S3向電池預(yù)充的，這時MCU通過程序控制放電開關(guān)管S3全導(dǎo)通，預(yù)充開關(guān)管S1做間歇式導(dǎo)通，采用較短的導(dǎo)通時間及間隔較長的關(guān)斷時間(等效平均電流較小)向電池預(yù)充，直至電池的端電壓上升到鋰離子電池允許的最低充電電壓(2.5——2.7V之間，與溫度有關(guān))，然后進人下一充電階段——恒流充電;若長時間預(yù)充電池端電壓都不能到達最低允許充電電壓，則說明電池已損壞，程序進人充電禁止狀態(tài)。

3.恒流充電

本電池管理系統(tǒng)對鋰電池恒流充電要求外置充電電源是恒流的，其恒流值應(yīng)小于鋰離子電池的最大允許充電電流，本系統(tǒng)定為0.3 C.MCU通過程序控制充電開關(guān)管S2、放電開關(guān)管S3全導(dǎo)通，電源適配器通過充電開關(guān)管S2、放電開關(guān)管S3向電池組恒流充電。電池電壓將緩慢上升，一般充電時間為2—3小時，這時電池電量達到了滿電量的70%——80%.當單個電池單元電壓達到所設(shè)定的終止電壓時，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進入保持充電過程。

4.保持充電

本電池管理系統(tǒng)在保持充電階段采用脈沖充電方式，在這一階段中，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對電池進行恒流充電一段固定的時間t，然后關(guān)閉充電回路。由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升超過充電終止電壓，在充電回路被切斷后，電池電壓又會慢慢下降。當電池電壓恢復(fù)到充電終止電壓時，重新打開充電回路，仍然對電池以恒流電流值進行充電，而后又關(guān)閉充電回路等待電池電壓的下降。在脈沖充電電流的作用下，電池會被逐漸充滿，電池端電壓下降的速度也逐漸減慢。這一過程一直持續(xù)到電池電壓恢復(fù)時間達到某個預(yù)設(shè)的值為止，可以認為電池己接近充滿。

本系統(tǒng)的各種保護及工作狀態(tài)都要用到大功率電子開關(guān)，本系統(tǒng)采用大功率、低導(dǎo)通電阻的MOSFET.使用MOSFET的原因是本電路既有充電回路，又有放電回路，為此電子開關(guān)器件應(yīng)具有雙向?qū)芰Γ鳰OSFET具有此種能力。實際電路中的MOSFET采用IRF4905，其典型的導(dǎo)通電阻為20mΩ，Vds=55V，Id=74A.

3.5均衡模塊原理與方案設(shè)計

3.5.1國內(nèi)外鋰電池組的均衡方法綜述

當鋰離子電池組由多個單體電池串聯(lián)使用時，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)良、質(zhì)量再好，若配組使用的各單體電池特性不一致，都會導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池過充和過放情況的嚴重不一致，就內(nèi)部單體電池而言，串聯(lián)使用比單個使用更容易發(fā)生過充和過放現(xiàn)象，且不易發(fā)現(xiàn)。任意一個電池的特性加劇惡化時，將導(dǎo)致電池組內(nèi)其它電池發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)的連鎖性、加劇性損壞。電池組的品質(zhì)由其中質(zhì)量最差的一只電池決定，一只電池質(zhì)量差不僅影響了整個電池組的性能，還會引起惡性的連鎖反應(yīng)，使差的更差，好的也會迅速變差。為解決上述問題，目前通用的做法是將單體電池精選配對，組合成優(yōu)質(zhì)的電池組，最大限度地減小單體電池間的差異。

就算動力鋰離子電池組解決了配組的前期技術(shù)問題，電池組在使用中亦會使其特性產(chǎn)生變化，目前對電池組在使用中由于特性變化產(chǎn)生的導(dǎo)致電池組整體特性急劇衰退和部分電池加速損壞的現(xiàn)象，并無有效的解決辦法，只能在電池組充、放電過程中檢測到有一個電池處于過充或過放狀態(tài)，保護電路就將整個充、放電電路關(guān)斷。由于上述原因，動力鋰離子電池組在實際使用中(特別是充電時)解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問題極為重要。目前國外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和無能耗的方法。

3.5.1.1能耗均衡方法

典型的方法是利用發(fā)熱電阻旁路分流，旁路分流均衡法原理圖如圖3-9所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2……Kn為MCU控制的多路開關(guān)，R1、R2…… Rn，為放電平衡電阻。當電池組充電時充電電流I在各節(jié)電池中都相等。當某節(jié)(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過某值時，MCU控制的多路開關(guān)K2合上，B2通過R2分流，使B2電壓下降，如此反復(fù)循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案簡單、可靠，但電阻會消耗電能并發(fā)熱，使用中需注意選取電阻阻值及功率，其最大的缺點是放電(工作)使用中，各單元平衡則白白消耗了鋰離子電池組的電能。

3.5.1.2無能耗的均衡方無能耗的均衡方法是利用一個活動的分流元件或電壓或者電流轉(zhuǎn)換器件來將能量從一節(jié)單體轉(zhuǎn)移到另一節(jié)單體。這些器件可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。兩種主要的方法是電容平衡和能量轉(zhuǎn)換。

電容平衡原理圖如圖3-9所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2……Kn為MCU控制的多路開關(guān)，C為平衡電容。當電池組充電時，若某節(jié)(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過某值、而B3最低，MCU控制的多路開關(guān)K2，K3合上，KA、KB都切換在a點，B2通過K2、K3、KA、KB向C充電，在C充滿電后，MCU控制的多路開關(guān)K3、K4合上，KA、KB切換都在b點，電容C通過K4、K3、KA、KB向B3釋放電能，使B2電壓下降，B3電壓上升，如此反復(fù)循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案亦較為簡單、可靠，但使用中應(yīng)注意掌握好電容充放電時間，其最大的優(yōu)點是充、放電(工作)使用中，都可平衡各單元電池的功能，且不消耗鋰離子電池組的電能。