新型電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設計方案
摘要:電動汽車的發(fā)展有助于緩解能源短缺和環(huán)境污染問題,針對目前鋰電池被逐漸應用在電動汽車上,提出了一種基于OZ8940芯片的電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)的設計方案。系統(tǒng)包括電壓、電流、溫度采集電路,均衡電路,MCU主控電路,I2 C通信電路,CAN通信電路,顯示單元。該系統(tǒng)設計方案簡單可靠,實現(xiàn)了對鋰電池實時監(jiān)測和保護的功能。
電動汽車的使用有助于保護環(huán)境和解決能源短缺問題。電池組作為電動汽車的能源,其正常地工作是安全行駛的重要保證,因此,對電池組工作狀態(tài)的管理顯得尤其重要。近年來,對電池管理系統(tǒng)的研究也越來越受到重視。電池管理系統(tǒng)的職能是實時監(jiān)測電池組狀態(tài),實施必要的管理和保護措施,以提高電池組的利用率,確保電池組工作的安全可靠,進而確保行車安全。
1 系統(tǒng)基本功能介紹
設計的鋰電池管理系統(tǒng)采用電池監(jiān)測芯片對電動汽車電池的電壓、電流、溫度等信息進行實時監(jiān)測。采集到的電壓、電流、溫度等信息經過微處理器處理后,相應的信息顯示在顯示屏上。如果電池狀態(tài)信息超出正常范圍,系統(tǒng)自動切斷充放電回路并報警。均衡電路的應用,延長了電池組的使用壽命。系統(tǒng)結構如圖1所示。
圖1 電池管理系統(tǒng)基本結構
2 系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)采用O2Micro公司的OZ8940芯片作為電池信息的采集芯片。OZ8940是一款低功耗芯片,工作時電流小于500μA,休眠模式下小于50μA.可支持6~12節(jié)串聯(lián)電池的信息測量,總的電壓測量范圍為9~60 V.內部包括12路的12位電壓采集ADC,分辨率2.44 mV.1路片內溫度采集ADC,精度為12位,2路片外溫度采集ADC,精度為12位,分辨率1.22mV.OZ8940可提供兩級保護功能,第一級保護包括過電壓、過電流、過溫度等保護。第二級保護是永久性外部極高過電壓故障的保護。此外,OZ8940支持內部均衡與外部均衡兩種均衡方式。均衡技術的應用,使得電池組特性在充電時保持了良好的一致性,這有助于延長電池組的使用壽命。OZ8940通過I2 C接口與MCU進行通信。
2.1 單體電池電壓監(jiān)測
如圖2所示,12節(jié)單體電池串聯(lián)構成電池組,從每一節(jié)電池的正負極引出接線端子,單體電池的輸入電壓范圍為-0.5 V~8 V.接線端子經過RC低通電路后引入到OZ8940的BAT端口,作為電池電壓的輸入端。RC低通電路可以消除信號中的高頻干擾。在OZ8940中通過一個多路選擇器分別將這12路電壓信號引入到內部12位精度的ADC中進行轉換,轉換結果送至內部邏輯,經過I2C接口與MCU通信。
圖2 電壓采集。
2.2 電流監(jiān)測
采用霍爾電流傳感器對電池組充放電電流進行采集,如圖1中電流采集部分所示。采集到的信息送至MCU進行處理。
2.3 溫度監(jiān)測
OZ8940內部集成了一個溫度傳感器。片內溫度每升高1℃,內部溫度傳感器輸出電壓增加2.0976mV.內部溫度傳感器輸出的電壓量會有一定的偏差,這個偏差量可以通過片內EEPROM 中INTREF11~INTREF0位在軟件上進行補償。
此外,通過使用OZ8940的GPIO1和GPIO2兩個端口可以采集片外溫度信息。如圖3所示,RT1和RT2是負溫度系數(shù)的熱敏電阻,即隨著溫度的升高,其阻值會降低。GPIO0端口提供3.3 V的電壓,GPIO1和GPIO2 分別獲得兩路電壓值。端口GPIO1 和GPIO1采樣電壓輸入大小分別如式(1)和(2)。
UT1和UT2經過片內的一個多路選擇器送至內部精度為12位的ADC進行轉換。
圖3 溫度采集
2.4 均衡電路
電池組在充電過程或者空閑狀態(tài)時,當滿足單體電池電壓高于在片內EEPROM 預先設置好的門限值,且單體電池電壓互差(最高電池電壓與最低電池電壓之差)大于預先設置的門限值(精度可以設置為9.76mV~39 mV),則三極管T導通,均衡電路[2]開始工作。三極管T和電阻RB為單體電池提供了一個放電回路,使得電池的工作狀態(tài)保持了良好的一致性,延長了電池組的使用壽命。值得注意的是,在均衡期間,當系統(tǒng)發(fā)生過電壓、過溫度或者過電流等保護事件時,均衡電路停止工作,這是由OZ8940內部結構所決定的。
均衡電路原理圖如圖4所示。
圖4 均衡電路原理圖。
2.5 保護措施
2.5.1 過電流保護
OZ8940內部集成了一個過電流監(jiān)測器,它可以監(jiān)測充放電電流的大小。預先在片內EEPROM 設定了過電流門限值,如果電流高于門限值,則系統(tǒng)在經過一定的時間延遲后自動切斷充放電回路。OZ8940在休眠模式下,OZ8940的電流保護失效。實驗中采用霍爾電流傳感器監(jiān)測電流大小。
2.5.2 過電壓和低電壓保護
OZ8940片內集成了一個過電壓和低電壓監(jiān)測器。采集到的電池電壓信息與EEPROM 中設置的電壓門限值相比較,在充電過程中如果超出了高電壓門限值,則系統(tǒng)在經過一定的時間延遲后,自動切斷充電回路。在放電過程中如果超出了低電壓門限值,則系統(tǒng)經過一定的時間延遲,自動切斷放電回路。這兩個時間延遲均可在EEPROM 中預先設置。OZ8940在休眠模式下,過電壓和低電壓保護不工作。此外,當過電壓保護失效時,OZ8940會啟動第二級過電壓保護功能。即當過電壓超過門限值并且存在8個ADC掃描周期時,OZ8940通過OVPF引腳發(fā)出一個PF信號給MCU,由MCU來控制切斷充電回路。
2.5.3 高、低溫保護
溫度保護功能是暫時切斷充電或者放電回路,當溫度恢復正常后,則閉合充電或者放電回路。溫度保護的工作原理同樣是將內部溫度傳感器,或者是將由外部溫度采集電路得到的溫度信息,與OZ8940內部的高、低溫門限值相比較,當超過門限值時則啟動保護功能。在電池充放電狀態(tài)或者閑置狀態(tài)下,觸發(fā)了高溫保護功能,系統(tǒng)會同時切斷充電回路和放電回路。
低溫保護功能的觸發(fā)發(fā)生在放電狀態(tài)或者閑置狀態(tài)下,此時系統(tǒng)僅切斷放電回路。同樣,OZ8940在休眠模式下,高、低溫保護失效。
2.6 電池組信息的處理與顯示
如圖5所示,OZ8940通過I2 C接口與STC單片機(MCU)進行通信,它們之間通過光耦隔離有效地將OZ8940的高壓側與STC單片機的低壓側進行了隔離。采集到的電壓信息送至STC單片機進行處理,通過CAN[3]總線送至顯示器顯示。在汽車運行這樣一個高溫、震動及電磁輻射強度高的惡劣環(huán)境下,CAN總線因其良好的檢錯能力和高可靠性被廣泛應用。在北美和西歐,CAN總線協(xié)議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線。通過單片機P1.0端口和一個MOSFET管,可以使充電回路中的一個熔斷器熔斷,起到了切斷充電回路的作用。即單片機收到OVPF端口產生的一個PF信號后,可由P1.0端口控制一個MOSFET管導通,使得回路熔斷器斷路,進而與OZ8940的第二級過電壓保護功能相配合,起到了保護系統(tǒng)的作用。
圖5 系統(tǒng)通信與顯示。
3 軟件設計
STC單片機上電后配置各個寄存器,以及對OZ8940發(fā)送控制字命令,完成初始化。系統(tǒng)每隔500ms定時啟動一次轉換,讀取電池組電壓、電流、溫度等信息,計算電池剩余容量,然后送至顯示器進行顯示。
當這些信息超出用戶設定的門限值時,啟動報警。當系統(tǒng)啟動第二級過電壓保護功能時,OZ8940發(fā)送一個PF信號給STC單片機,單片機收到這個信號后產生一個中斷,在中斷服務程序里,通過P1.0口控制外部MOSFET管導通,熔斷回路熔斷器,并啟動報警告知用戶。OZ8940將采集到的單體電壓值進行處理,與預先設定的門限值進行比較,當滿足均衡條件時,均衡電路開始工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。
圖6 電池管理系統(tǒng)軟件流程。
4 實驗結果及結論
實驗時采用12節(jié)40 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構成電池組。列舉一組實驗數(shù)據(jù)如下:
設計的電動汽車鋰電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對電池組電壓、電流、溫度、剩余電量等信息的監(jiān)測(見表1,表2,表3),單體電壓誤差小于10 mV.過電壓、過電流和溫度保護的應用使得電動汽車在實際運行中更加安全可靠。I2C通信和CAN 總線通信簡單可靠。均衡電路的應用有助于延長電池組的使用壽命。系統(tǒng)具有簡明可靠、抗干擾能力強等特點,實驗證明系統(tǒng)的設計是可行的。
表1 單體電池電壓采集
表2 電流及溫度采集
表3 鋰電池管理系統(tǒng)參數(shù)設置
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