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

上圖為低8節(jié)電壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò)，在該電路中，各極電壓都是通過兩個電阻對1V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓取樣。如果采用和高8節(jié)一樣的方法直接對地分壓的話，會使差分信號中的共模信號過弱，不能滿足運放LMV324的工作要求，使其不能工作在線性區(qū)，因此需要采用各極電壓均對固定的1V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行分壓的方式取樣，從而也保證所有電壓值均在1V以上的線性區(qū)。1V基準(zhǔn)電壓的產(chǎn)生電路如圖3.18所示。

其中的VRER2.5是由單片機(jī)內(nèi)部的AD采樣參考電壓輸出的2.5V標(biāo)準(zhǔn)電壓，該電壓經(jīng)電阻分壓和跟隨器電路輸出后得到穩(wěn)定的1V基準(zhǔn)電壓，該電壓在小范圍內(nèi)的波動不會對放電電路的輸出形成明顯的影響。

經(jīng)過電壓采樣電阻網(wǎng)絡(luò)取樣后，我們需要把16路電壓信號分時的送入單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換器中。在這里選用四片多路開關(guān)芯片CD4052來構(gòu)成高8路和低8路的多路開關(guān)電路。電路如圖3.19和圖3.20所示。

最后，將多路開關(guān)選通電路中的X路和Y路輸出一起接入放大電路中，其中X路輸出接VNIN，Y路輸出接VPIN，VPIN為同相輸入端，VNIN為反相輸入端。將每節(jié)電池的差分信號轉(zhuǎn)換為單極對地信號VADIN，然后送入單片機(jī)的AD通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電壓放大電路如圖3.21所示。

3.3.3電流采集電路

電流采集對于判斷是否需要短路保護(hù)是非常重要的一個參數(shù)。因此，我們需要實現(xiàn)對電流精確測量。

在這里，我們選用MAX4081作為檢測芯片。該芯片輸入電壓范圍4.5V至76V，非常適合于需要嚴(yán)密監(jiān)視高壓電流的系統(tǒng)[41]，因此可以直接用電池組的最高電壓作為其供電電源。另外，芯片的參考電壓由系統(tǒng)提供，參考電壓值為1.5V.該芯片的引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-和RS+三個引腳的電壓狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當(dāng)RS-端電壓低于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。

本電路的設(shè)計思路是首先在電池正極和保護(hù)器電路板之間串接一個分流器，RS-和RS+引腳分別接分流器兩端電壓。當(dāng)回路沒有電流時，OUT引腳輸出電壓為參考電壓;電池放電時，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓，最低可輸出0V;對電池充電時，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。檢測電路如圖3.22所示。

3.3.4溫度采集電路溫度檢測確保了安全充電步驟的執(zhí)行。由于本系統(tǒng)對溫度信號的精度要求不高，因此系統(tǒng)采用100K的熱敏電阻和1%精度的電阻分壓進(jìn)行溫度檢測，共設(shè)計了四路溫度采集電路，每路的電壓信號直接進(jìn)入單片機(jī)的AD通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。溫度采集電路如圖3.23所示。

3.4均衡及保護(hù)電路設(shè)計

3.4.1保護(hù)電路設(shè)計

在第一章里我們就已經(jīng)介紹過了，鋰離子電池在使用過程中，如果出現(xiàn)過充、過放或者短路的情況，會對鋰離子電池的容量和壽命產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響，甚至?xí)a(chǎn)生安全問題。因此，保護(hù)電路的設(shè)計是電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。

電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)在使用中主要依據(jù)單體電池的電壓、電流值和電池組的溫度值進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果看是否啟動相應(yīng)的保護(hù)。其保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)具備以下幾個功能：

⑴過充保護(hù)：鋰電池在充電過程中如果充電電壓超過4.2V，會對電池造成損害。

⑵過放保護(hù)：鋰電池在放電過程中如果充電電壓低于2.7V，會對電池造成損害。

⑶短路保護(hù)：用來保證電池在移動時的安全以及電池組的正常工作。

⑷過溫保護(hù)：由于本系統(tǒng)采用能量消耗型均衡法，因此系統(tǒng)電路板和電池組溫度會較高，需要過溫保護(hù)。

鋰電池組保護(hù)電路主要由短路保護(hù)信號檢測電路、中斷控制信號判斷電路、充放電驅(qū)動控制電路等組成。

⒈短路保護(hù)電路

電池組在移動和放電時，需要進(jìn)行短路保護(hù)。短路保護(hù)電路主要由負(fù)載端電壓取樣電路、比較電路和1V的基準(zhǔn)電壓電路組成，其實質(zhì)是由外部中斷通知單片機(jī)電池組需要進(jìn)行短路保護(hù)，單片機(jī)在中斷程序中啟動短路保護(hù)，切斷主回路。

1V的基準(zhǔn)電壓電路在前面已經(jīng)作了介紹。在這里，首先介紹一下負(fù)載端電壓取樣電路。電池在放電時，放電電流在經(jīng)過串聯(lián)的MOSFET管時，由于MOSFET管的導(dǎo)通阻抗，會在其兩端產(chǎn)生一個電壓，這時負(fù)載的負(fù)端P-應(yīng)該電壓很低。當(dāng)電池組或負(fù)載出現(xiàn)異常使回路電流增大到一定值時，P-端的電壓將會迅速上升，因此二極管D4將會導(dǎo)通，通過電阻分壓得到一定電壓，該電壓信號與1V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到一個脈沖信號作為單片機(jī)的外部中斷信號。短路保護(hù)電路如圖3.24所示。

⒉過充/過放電保護(hù)控制電路

除了短路保護(hù)外，電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)中還需有過充、過放保護(hù)電路。鋰電池組的充電方式選用的是恒流轉(zhuǎn)恒壓的方式，當(dāng)電池出現(xiàn)過充、過放現(xiàn)象時可以及時的切斷充放電回路。

過充保護(hù)控制的基本思路是：當(dāng)通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達(dá)到4.25V±0.05V時，MCU的控制信號CHARGE輸出低電平使三極管Q18截止，使充電回路關(guān)斷，起到過充電保護(hù)作用;相反，當(dāng)電池電壓低于4.0V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q18導(dǎo)通，使充電回路導(dǎo)通。其保護(hù)電路圖如圖3.25所示，其中P+為充電時充電機(jī)輸出的正極。

過放保護(hù)控制的基本思路是：在電池放電過程中，當(dāng)通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達(dá)到2.7V±0.08V時，MCU的控制信號DISCHG輸出低電平使三極管Q17截止，使放電回路關(guān)斷，起到過放電保護(hù)作用;相反，當(dāng)電池電壓高于2.9V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q17導(dǎo)通，使放電回路導(dǎo)通。其保護(hù)電路圖如圖3.25所示，其中B+為放電時電池組輸出的正極。但是需要注意的是，在前面介紹了系統(tǒng)電源是從電池組最大電壓轉(zhuǎn)換而來的。當(dāng)電池處于過放情況下，不可能再對系統(tǒng)提供大電流。因此要求過放保護(hù)電路處于低功耗狀態(tài)，整個保護(hù)電路耗電會小于0.1uA.

3.4.2均衡電路設(shè)計

在前面我們已經(jīng)介紹過了，鋰離子電池在串聯(lián)使用時，對鋰電池組進(jìn)行充電中，單體鋰離子電池之間會出現(xiàn)不均衡的問題，時間長了會導(dǎo)致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢必會影響鋰離子電池的使用壽命。為了保證電池組中各單體電池的一致性，我們需要設(shè)計均衡保護(hù)電路。

本系統(tǒng)采用的是能量損耗型均衡方法。判斷方法是當(dāng)電池組中某節(jié)電池單體電壓超過電池組平均電壓值0.2V時，我們認(rèn)為電池組處于不均衡狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)啟動均衡保護(hù)，打開旁路開關(guān)，通過分流電阻釋放能量。

均衡電路是保證串聯(lián)各電池電壓一致性的根本，從而也關(guān)系到電池使用壽命的長短。在充電狀態(tài)下，若檢測到某節(jié)電壓高于電池組平均單節(jié)電壓時，由單片機(jī)I/O口輸出高電平，從而使驅(qū)動三極管導(dǎo)通，相應(yīng)節(jié)電池正極的電壓將對地形成回路，并在兩只電阻上形成分壓，從而使得均衡電路的PMOS開關(guān)導(dǎo)通，并在功率電阻上形成分流，系統(tǒng)采用12歐姆/5瓦的功率電阻，因此均衡電流可達(dá)300mA左右，同時和功率電阻并聯(lián)的LED指示燈會被點亮，說明該節(jié)電池處于被均衡的狀態(tài)。每節(jié)電池的均衡電路都是按照如圖3.26所示的電路并聯(lián)在電池正負(fù)極之間的。

3.5串行通信電路

串行通信電路用來與上位機(jī)進(jìn)行通信，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)上傳。芯片MAX232的電源通過跳線來確定是否供電，因此在不需要與上位機(jī)通信時，可將其電源斷開，從而降低系統(tǒng)功耗。如圖3.27所示。

3.6小結(jié)

在本章中，我們根據(jù)系統(tǒng)要求，首先提出了對電池組進(jìn)行監(jiān)控管理的總體方案。然后根據(jù)系統(tǒng)的性能和功能要求，完成了對單片機(jī)的選型以及信號采集電路和保護(hù)電路的方案選擇。最后根據(jù)電路設(shè)計方案分別對各個電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。系統(tǒng)的硬件設(shè)計是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，為軟件設(shè)計搭建了平臺。

該系統(tǒng)的硬件電路已經(jīng)完成了PCB板的制作。繪制硬件電路的過程是一個學(xué)習(xí)的過程。在這個過程中，我們需要充分考慮各方面的因素，例如電源與地、模擬與數(shù)字以及電路的抗干擾能力等。任何一個因素都可能會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生很大的影響，需要不斷優(yōu)化布局布線。另外，該硬件電路除了應(yīng)當(dāng)能滿足系統(tǒng)的功能要求外，還需要有一定的擴(kuò)展能力，這些都是在設(shè)計過程中需要解決的問題。在設(shè)計的過程中還出現(xiàn)了單片機(jī)不能正常工作的情況，經(jīng)過檢測，發(fā)現(xiàn)是由于晶振的設(shè)置不對。總之，在硬件設(shè)計的過程中， 可以學(xué)到了很多知識，將理論與實踐逐漸結(jié)合起來，為今后的硬件開發(fā)打下了基礎(chǔ)。