鋰離子電池組監控系統研究與實(shí)現 ― 系統硬件設計

上圖為低8節電壓取樣電阻網(wǎng)絡(luò )，在該電路中，各極電壓都是通過(guò)兩個(gè)電阻對1V的基準電壓進(jìn)行分壓取樣。如果采用和高8節一樣的方法直接對地分壓的話(huà)，會(huì )使差分信號中的共模信號過(guò)弱，不能滿(mǎn)足運放LMV324的工作要求，使其不能工作在線(xiàn)性區，因此需要采用各極電壓均對固定的1V基準電壓進(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(xiàn)性區。1V基準電壓的產(chǎn)生電路如圖3.18所示。

其中的VRER2.5是由單片機內部的AD采樣參考電壓輸出的2.5V標準電壓，該電壓經(jīng)電阻分壓和跟隨器電路輸出后得到穩定的1V基準電壓，該電壓在小范圍內的波動(dòng)不會(huì )對放電電路的輸出形成明顯的影響。

經(jīng)過(guò)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(shí)的送入單片機的AD轉換器中。在這里選用四片多路開(kāi)關(guān)芯片CD4052來(lái)構成高8路和低8路的多路開(kāi)關(guān)電路。電路如圖3.19和圖3.20所示。

最后，將多路開(kāi)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。將每節電池的差分信號轉換為單極對地信號VADIN，然后送入單片機的AD通道進(jìn)行轉換。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是非常重要的一個(gè)參數。因此，我們需要實(shí)現對電流精確測量。

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，非常適合于需要嚴密監視高壓電流的系統[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(gè)引腳的電壓狀態(tài)有關(guān)。當RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當RS-端電壓低于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。

本電路的設計思路是首先在電池正極和保護器電路板之間串接一個(gè)分流器，RS-和RS+引腳分別接分流器兩端電壓。當回路沒(méi)有電流時(shí)，OUT引腳輸出電壓為參考電壓;電池放電時(shí)，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(shí)，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行。由于本系統對溫度信號的精度要求不高，因此系統采用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)入單片機的AD通道進(jìn)行轉換。溫度采集電路如圖3.23所示。

3.4均衡及保護電路設計

3.4.1保護電路設計

在第一章里我們就已經(jīng)介紹過(guò)了，鋰離子電池在使用過(guò)程中，如果出現過(guò)充、過(guò)放或者短路的情況，會(huì )對鋰離子電池的容量和壽命產(chǎn)生很?chē)乐氐挠绊?，甚至?huì )產(chǎn)生安全問(wèn)題。因此，保護電路的設計是電池組監控管理系統中最重要的一環(huán)。

電池組監控管理系統在使用中主要依據單體電池的電壓、電流值和電池組的溫度值進(jìn)行判斷，根據判斷結果看是否啟動(dòng)相應的保護。其保護電路應當具備以下幾個(gè)功能：

⑴過(guò)充保護：鋰電池在充電過(guò)程中如果充電電壓超過(guò)4.2V，會(huì )對電池造成損害。

⑵過(guò)放保護：鋰電池在放電過(guò)程中如果充電電壓低于2.7V，會(huì )對電池造成損害。

⑶短路保護：用來(lái)保證電池在移動(dòng)時(shí)的安全以及電池組的正常工作。

⑷過(guò)溫保護：由于本系統采用能量消耗型均衡法，因此系統電路板和電池組溫度會(huì )較高，需要過(guò)溫保護。

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

⒈短路保護電路

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

1V的基準電壓電路在前面已經(jīng)作了介紹。在這里，首先介紹一下負載端電壓取樣電路。電池在放電時(shí)，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的MOSFET管時(shí)，由于MOSFET管的導通阻抗，會(huì )在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，這時(shí)負載的負端P-應該電壓很低。當電池組或負載出現異常使回路電流增大到一定值時(shí)，P-端的電壓將會(huì )迅速上升，因此二極管D4將會(huì )導通，通過(guò)電阻分壓得到一定電壓，該電壓信號與1V的基準電壓進(jìn)行比較得到一個(gè)脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。短路保護電路如圖3.24所示。

⒉過(guò)充/過(guò)放電保護控制電路

除了短路保護外，電池組監控管理系統中還需有過(guò)充、過(guò)放保護電路。鋰電池組的充電方式選用的是恒流轉恒壓的方式，當電池出現過(guò)充、過(guò)放現象時(shí)可以及時(shí)的切斷充放電回路。

過(guò)充保護控制的基本思路是：當通過(guò)電壓檢測電路檢測到電池電壓達到4.25V±0.05V時(shí)，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(guò)充電保護作用;相反，當電池電壓低于4.0V時(shí)，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q18導通，使充電回路導通。其保護電路圖如圖3.25所示，其中P+為充電時(shí)充電機輸出的正極。

過(guò)放保護控制的基本思路是：在電池放電過(guò)程中，當通過(guò)電壓檢測電路檢測到電池電壓達到2.7V±0.08V時(shí)，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(guò)放電保護作用;相反，當電池電壓高于2.9V時(shí)，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q17導通，使放電回路導通。其保護電路圖如圖3.25所示，其中B+為放電時(shí)電池組輸出的正極。但是需要注意的是，在前面介紹了系統電源是從電池組最大電壓轉換而來(lái)的。當電池處于過(guò)放情況下，不可能再對系統提供大電流。因此要求過(guò)放保護電路處于低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護電路耗電會(huì )小于0.1uA.

3.4.2均衡電路設計

在前面我們已經(jīng)介紹過(guò)了，鋰離子電池在串聯(lián)使用時(shí)，對鋰電池組進(jìn)行充電中，單體鋰離子電池之間會(huì )出現不均衡的問(wèn)題，時(shí)間長(cháng)了會(huì )導致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢必會(huì )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，我們需要設計均衡保護電路。

本系統采用的是能量損耗型均衡方法。判斷方法是當電池組中某節電池單體電壓超過(guò)電池組平均電壓值0.2V時(shí)，我們認為電池組處于不均衡狀態(tài)，應當啟動(dòng)均衡保護，打開(kāi)旁路開(kāi)關(guān)，通過(guò)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(cháng)短。在充電狀態(tài)下，若檢測到某節電壓高于電池組平均單節電壓時(shí)，由單片機I/O口輸出高電平，從而使驅動(dòng)三極管導通，相應節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(kāi)關(guān)導通，并在功率電阻上形成分流，系統采用12歐姆/5瓦的功率電阻，因此均衡電流可達300mA左右，同時(shí)和功率電阻并聯(lián)的LED指示燈會(huì )被點(diǎn)亮，說(shuō)明該節電池處于被均衡的狀態(tài)。每節電池的均衡電路都是按照如圖3.26所示的電路并聯(lián)在電池正負極之間的。

3.5串行通信電路

串行通信電路用來(lái)與上位機進(jìn)行通信，實(shí)現參數設置和數據上傳。芯片MAX232的電源通過(guò)跳線(xiàn)來(lái)確定是否供電，因此在不需要與上位機通信時(shí)，可將其電源斷開(kāi)，從而降低系統功耗。如圖3.27所示。

3.6小結

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

該系統的硬件電路已經(jīng)完成了PCB板的制作。繪制硬件電路的過(guò)程是一個(gè)學(xué)習的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，我們需要充分考慮各方面的因素，例如電源與地、模擬與數字以及電路的抗干擾能力等。任何一個(gè)因素都可能會(huì )對系統的正常運行產(chǎn)生很大的影響，需要不斷優(yōu)化布局布線(xiàn)。另外，該硬件電路除了應當能滿(mǎn)足系統的功能要求外，還需要有一定的擴展能力，這些都是在設計過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。在設計的過(guò)程中還出現了單片機不能正常工作的情況，經(jīng)過(guò)檢測，發(fā)現是由于晶振的設置不對?？傊?，在硬件設計的過(guò)程中， 可以學(xué)到了很多知識，將理論與實(shí)踐逐漸結合起來(lái)，為今后的硬件開(kāi)發(fā)打下了基礎。