鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) ― 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

目前，鋰離子蓄電池組作為一種新能源，與傳統(tǒng)的以鎳隔，鎳氫電池為儲(chǔ)能核心的電源系統(tǒng)相比，存在以下問(wèn)題：

⑴串聯(lián)電池組由于各單體之間容量的差異引起的充電放電過(guò)程的不均衡。

⑵由于過(guò)充電，過(guò)放電，過(guò)電流或高溫而引起的電池失效問(wèn)題。

針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，提出以下設(shè)計(jì)目標(biāo)：

⑴對(duì)鋰離子電池組，實(shí)現(xiàn)充放電時(shí)電池之間的均衡，做到各單體電池之間電壓與其平均電壓的差不超過(guò)0.2V，實(shí)現(xiàn)充放電時(shí)對(duì)電池的保護(hù)。

⑵設(shè)計(jì)充放電控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池組過(guò)充、過(guò)放以及短路保護(hù)。

3.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)總體方案框圖如圖3.1所示。本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F233為控制核心，包括電壓、電流和溫度采樣電路、鋰電池組的過(guò)充、過(guò)放、短路保護(hù)電路和均衡電路、串口通信電路以及相關(guān)外圍電路等。

鋰電池組在充放電的過(guò)程中，系統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)地對(duì)電壓、溫度、電流等參數(shù)進(jìn)行采集，同時(shí)采樣到的信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入處理器，處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)值進(jìn)行比較，判斷是否出現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)放或短路現(xiàn)象，以決定是否啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施。同時(shí)，根據(jù)需要，單片機(jī)可實(shí)時(shí)上傳采集到的電壓、電流、溫度等參數(shù)給上位機(jī)，由上

位機(jī)處理后進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。另外，上位機(jī)系統(tǒng)還可通過(guò)串口給單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)校正參數(shù)。

3.2單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路如圖3.2所示，主要有電源電路、復(fù)位電路、外部振蕩電路、均衡控制信號(hào)輸出、充放電控制信號(hào)輸出、短路保護(hù)中斷輸入、電壓檢測(cè)輸入、電流檢測(cè)輸入、溫度檢測(cè)輸入、多路模擬開(kāi)關(guān)控制信號(hào)輸出、指示和報(bào)警信號(hào)輸出等。

3.2.1 MCU的選擇

MCU是整個(gè)保護(hù)器系統(tǒng)的核心，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，MCU的選擇必須具有強(qiáng)大的功能：低功耗、內(nèi)部集成多路A/D轉(zhuǎn)換器、支持SPI通信以及具有E 2 PROM等功能。TI公司的MSP430單片機(jī)以低功耗著稱(chēng)，其中MSP430F233芯片具有工作電壓低、功耗低的特點(diǎn)，工作電壓在1.8V～3.6V范圍內(nèi)，當(dāng)該芯片以2.2V的電壓正常工作時(shí)，其工作電流可以低到270uA，待機(jī)狀態(tài)電流低至0.3uA，關(guān)斷模式電流低至0.1uA.該芯片內(nèi)部還包含了8路12位AD轉(zhuǎn)換器，可以實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時(shí)采集。除此之外，該芯片還包含一些外圍接口，如UART串行口和SPI、IIC接口;JTAG下載調(diào)試接口等。其基準(zhǔn)時(shí)鐘可設(shè)在32KHz~16MHz的范圍;2個(gè)16位的具有捕獲/比較功能的定時(shí)器。MSP430F233的功能方框圖如圖3.3所示。

MSP430x2xx系列的主要特性如下：

⑴超低功耗延長(zhǎng)了電池的使用壽命

⑵保持RAM0.1uA

⑶實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式0.8uA

⑷MIPS運(yùn)行250uA

⑸理想精確的模擬信號(hào)測(cè)量

⑹門(mén)控比較定時(shí)器測(cè)量電阻類(lèi)元件

⑺16位的精簡(jiǎn)指令集的CPU全新應(yīng)用

⑻更大的寄存器空間消除了運(yùn)行空間的瓶頸

⑼緊湊的核結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)減少了功耗、降低了成本

⑽使用高水平的編程更優(yōu)化

⑾27條核心指令和7種尋址方式

⑿強(qiáng)大的矢量中斷能力

3.2.2系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)需要從鋰電池組中取電。對(duì)于小型的電池組，可以從電池組中間取電。

但是對(duì)于大中型電池組，如果從中間取電的話(huà)，勢(shì)必會(huì)由于各單體電池的差異導(dǎo)致整個(gè)電池組的不均衡，使電池組的放電能力下降。因此，我們使用鋰電池組對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電時(shí)，一般情況下盡量不從電池組中間取電，需要對(duì)電池組最大電壓進(jìn)行變換，使其變成適合系統(tǒng)工作的電源電壓。

本系統(tǒng)的工作電壓有兩種：5V和3.6V.其中5V的電源需要從鋰電池組的最大電壓變換得到，本系統(tǒng)所監(jiān)控管理的電池組最大數(shù)量為16節(jié)，鋰電池的最高電壓為4.2V，因此該電池組的最大電壓可以達(dá)到67.2V，當(dāng)電池組中電池?cái)?shù)目較少時(shí)，電池組最大電壓則可能降到10V左右。因此，我們需要選用電壓工作范圍在10V~67.2V之間的降壓芯片。而MAX5033B作為一種高效、高壓、降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，其電壓工作范圍可達(dá)7.5V~76V，另外，我們可以通過(guò)設(shè)定使其輸出固定在5V，滿(mǎn)足了系統(tǒng)的要求。因此，我們選用MAX5033B作為降壓DC-DC電路的主芯片。

MAX5033B除了電壓工作范圍滿(mǎn)足要求外，還具有功耗低、工作效率高和工作溫度范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。其空載時(shí)僅消耗350uA的靜態(tài)電流，轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)94%，，輸出電流可到500mA，工作溫度范圍-40℃~125℃，非常適合本系統(tǒng)。該芯片共有8個(gè)引腳，其芯片圖如圖3.4所示。

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