基于單片機的動(dòng)力電池管理系統的硬件設計
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鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當前比能量最高的電池。但正是因為鋰電池的能量密度比較高，當發(fā)生誤用或濫用時(shí)，將會(huì )引起安全事故。而電池管理系統能夠解決這一問(wèn)題。當電池處在充電過(guò)壓或者是放電欠壓的情況下，管理系統能夠自動(dòng)切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節電池的壓差維持在一個(gè)很小的范圍內。此外，還具有過(guò)溫、過(guò)流、剩余電量估測等功能。本文所設計的就是一種基于單片機的電池管理系統[1]。
1 電池管理系統硬件構成
針對系統的硬件電路，可分為MCU模塊、檢測模塊、均衡模塊。
1.1 MCU模塊
MCU是系統控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號的單片機。該系列所有的MCU均采用增強型M68HC08中央處理器(CP08)。該單片機具有以下特性：
(1)8 MHz內部總線(xiàn)頻率；(2)16 KB的內置Flash存儲器；(3)2個(gè)16位定時(shí)器接口模塊；(4)支持1 MHz～8 MHz晶振的時(shí)鐘發(fā)生器；(5)增強型串行通信接口(ESCI)模塊。
1.2 檢測模塊
檢測模塊中將對電壓檢測、電流檢測和溫度檢測模塊分別進(jìn)行介紹。
1.2.1 電壓檢測模塊
本系統中，單片機將對電池組的整體電壓和單節電壓進(jìn)行檢測。對于電池組整體電壓的檢測有2種方法：(1)采用專(zhuān)用的電壓檢測模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構建電阻分壓電路。采用專(zhuān)用的電壓檢測模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過(guò)程比較復雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測。10串錳酸鋰電池組電壓變化的范圍是28 V～42 V。采用3.9 M?贅和300 k?贅的電阻進(jìn)行分壓，采集出來(lái)的電壓信號的變化范圍是2 V～3 V，所對應的AD轉換結果為409和614。
對于單體電池的檢測，主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示[2]，為電池組后4節的保護電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動(dòng)信號，控制MOS管的導通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。
如圖1所示，為電池組后4節的保護電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動(dòng)信號，控制MOS管的導通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。
以上6節電池可以用2個(gè)三通道開(kāi)關(guān)切換陣列來(lái)實(shí)現。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現通道的選擇。開(kāi)關(guān)S5、S6、S7負責將電池的正極連接至飛電容的正極。開(kāi)關(guān)S2、S3、S4負責將電池負極連接至飛電容的負極。三通道開(kāi)關(guān)切換陣列結構與四通道開(kāi)關(guān)切換陣列類(lèi)似，只是通道數少1路。工作時(shí)，單片機發(fā)出通道選址信號，讓其中1路電池的正負極與電容連接，對電容進(jìn)行充電，然后斷開(kāi)通道開(kāi)關(guān)，接通跟隨放大器的開(kāi)關(guān)，單片機對電容的電壓進(jìn)行快速檢測，由此完成了對1節電池的電壓檢測。若發(fā)現檢測電壓小于2.8 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護系統到電池的檢測線(xiàn)斷路，單片機將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復上述過(guò)程，單片機即完成對本模塊所管理的電池的檢測。
1.2.2 電流采樣電路
電流采樣時(shí)，電池管理系統中的參數是電池過(guò)流保護的重要依據。本系統中電流采樣電路如圖2所示。當電池放電時(shí)，用康銅絲對電流信號進(jìn)行檢測，將檢測到的電壓信號經(jīng)過(guò)差模放大器的放大，變?yōu)?～5 V的電壓信號送至單片機。如果放電的電流過(guò)大，單片機檢測到的電壓信號比較大，就會(huì )驅動(dòng)三極管動(dòng)作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對于36 V的錳酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設定其保護電流是60 A?？点~絲的電阻是5 mΩ左右。當電流達到60 A時(shí)，康銅絲的電壓達300 mV左右。為提高精度，將電壓通過(guò)放大器放大10倍送至單片機檢測。
1.2.3 溫度檢測
電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)， 這部分熱量不及時(shí)排除會(huì )引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鎳氫電池溫度超過(guò)55℃，電池特性就會(huì )變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì )被打破，繼而導致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對電池組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測并進(jìn)行散熱處理。
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