基于OZ8940芯片電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統設計方案

　　電動(dòng)汽車(chē)的使用有助于保護環(huán)境和解決能源短缺問(wèn)題。電池組作為電動(dòng)汽車(chē)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(lái)，對電池管理系統的研究也越來(lái)越受到重視。電池管理系統的職能是實(shí)時(shí)監測電池組狀態(tài)，實(shí)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(jìn)而確保行車(chē)安全。

　　1 系統基本功能介紹

　　設計的鋰電池管理系統采用電池監測芯片對電動(dòng)汽車(chē)電池的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監測。采集到的電壓、電流、溫度等信息經(jīng)過(guò)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，系統自動(dòng)切斷充放電回路并報警。均衡電路的應用，延長(cháng)了電池組的使用壽命。系統結構如圖1所示。

　　圖1 電池管理系統基本結構

　　2 系統硬件設計

　　系統采用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(shí)電流小于500μA，休眠模式下小于50μA.可支持6~12節串聯(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(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)溫度等保護。第二級保護是永久性外部極高過(guò)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(shù)的應用，使得電池組特性在充電時(shí)保持了良好的一致性，這有助于延長(cháng)電池組的使用壽命。OZ8940通過(guò)I2 C接口與MCU進(jìn)行通信。

　　2.1 單體電池電壓監測

　　如圖2所示，12節單體電池串聯(lián)構成電池組，從每一節電池的正負極引出接線(xiàn)端子，單體電池的輸入電壓范圍為-0.5 V~8 V.接線(xiàn)端子經(jīng)過(guò)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(guò)一個(gè)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(jìn)行轉換，轉換結果送至內部邏輯，經(jīng)過(guò)I2C接口與MCU通信。

　　圖2 電壓采集。

　　2.2 電流監測

　　采用霍爾電流傳感器對電池組充放電電流進(jìn)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(jìn)行處理。

　　2.3 溫度監測

　　OZ8940內部集成了一個(gè)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(huì )有一定的偏差，這個(gè)偏差量可以通過(guò)片內EEPROM 中INTREF11~INTREF0位在軟件上進(jìn)行補償。

　　此外，通過(guò)使用OZ8940的GPIO1和GPIO2兩個(gè)端口可以采集片外溫度信息。如圖3所示，RT1和RT2是負溫度系數的熱敏電阻，即隨著(zhù)溫度的升高，其阻值會(huì )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(jīng)過(guò)片內的一個(gè)多路選擇器送至內部精度為12位的ADC進(jìn)行轉換。

　　圖3 溫度采集

　　2.4 均衡電路

　　電池組在充電過(guò)程或者空閑狀態(tài)時(shí)，當滿(mǎn)足單體電池電壓高于在片內EEPROM 預先設置好的門(mén)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(mén)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(kāi)始工作。三極管T和電阻RB為單體電池提供了一個(gè)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(cháng)了電池組的使用壽命。值得注意的是，在均衡期間，當系統發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)溫度或者過(guò)電流等保護事件時(shí)，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(guò)電流保護

　　OZ8940內部集成了一個(gè)過(guò)電流監測器，它可以監測充放電電流的大小。預先在片內EEPROM 設定了過(guò)電流門(mén)限值，如果電流高于門(mén)限值，則系統在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲后自動(dòng)切斷充放電回路。OZ8940在休眠模式下，OZ8940的電流保護失效。實(shí)驗中采用霍爾電流傳感器監測電流大小。

　　2.5.2 過(guò)電壓和低電壓保護

　　OZ8940片內集成了一個(gè)過(guò)電壓和低電壓監測器。采集到的電池電壓信息與EEPROM 中設置的電壓門(mén)限值相比較，在充電過(guò)程中如果超出了高電壓門(mén)限值，則系統在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲后，自動(dòng)切斷充電回路。在放電過(guò)程中如果超出了低電壓門(mén)限值，則系統經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲，自動(dòng)切斷放電回路。這兩個(gè)時(shí)間延遲均可在EEPROM 中預先設置。OZ8940在休眠模式下，過(guò)電壓和低電壓保護不工作。此外，當過(guò)電壓保護失效時(shí)，OZ8940會(huì )啟動(dòng)第二級過(guò)電壓保護功能。即當過(guò)電壓超過(guò)門(mén)限值并且存在8個(gè)ADC掃描周期時(shí)，OZ8940通過(guò)OVPF引腳發(fā)出一個(gè)PF信號給MCU，由MCU來(lái)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(shí)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(mén)限值相比較，當超過(guò)門(mén)限值時(shí)則啟動(dòng)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，系統會(huì )同時(shí)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(shí)系統僅切斷放電回路。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(guò)I2 C接口與STC單片機（MCU）進(jìn)行通信，它們之間通過(guò)光耦隔離有效地將OZ8940的高壓側與STC單片機的低壓側進(jìn)行了隔離。采集到的電壓信息送至STC單片機進(jìn)行處理，通過(guò)CAN［3］總線(xiàn)送至顯示器顯示。在汽車(chē)運行這樣一個(gè)高溫、震動(dòng)及電磁輻射強度高的惡劣環(huán)境下，CAN總線(xiàn)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(xiàn)協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計算機控制系統和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線(xiàn)。通過(guò)單片機P1.0端口和一個(gè)MOSFET管，可以使充電回路中的一個(gè)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(chǎn)生的一個(gè)PF信號后，可由P1.0端口控制一個(gè)MOSFET管導通，使得回路熔斷器斷路，進(jìn)而與OZ8940的第二級過(guò)電壓保護功能相配合，起到了保護系統的作用。

　　圖5 系統通信與顯示。

　　3 軟件設計

　　STC單片機上電后配置各個(gè)寄存器，以及對OZ8940發(fā)送控制字命令，完成初始化。系統每隔500ms定時(shí)啟動(dòng)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(jìn)行顯示。

　　當這些信息超出用戶(hù)設定的門(mén)限值時(shí)，啟動(dòng)報警。當系統啟動(dòng)第二級過(guò)電壓保護功能時(shí)，OZ8940發(fā)送一個(gè)PF信號給STC單片機，單片機收到這個(gè)信號后產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷服務(wù)程序里，通過(guò)P1.0口控制外部MOSFET管導通，熔斷回路熔斷器，并啟動(dòng)報警告知用戶(hù)。OZ8940將采集到的單體電壓值進(jìn)行處理，與預先設定的門(mén)限值進(jìn)行比較，當滿(mǎn)足均衡條件時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作。系統軟件流程圖如圖6所示。

　　圖6 電池管理系統軟件流程。

　　4 實(shí)驗結果及結論

　　實(shí)驗時(shí)采用12節40 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構成電池組。列舉一組實(shí)驗數據如下：

　　設計的電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統實(shí)現了對電池組電壓、電流、溫度、剩余電量等信息的監測（見(jiàn)表1，表 2，表3），單體電壓誤差小于10 mV.過(guò)電壓、過(guò)電流和溫度保護的應用使得電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際運行中更加安全可靠。I2C通信和CAN 總線(xiàn)通信簡(jiǎn)單可靠。均衡電路的應用有助于延長(cháng)電池組的使用壽命。系統具有簡(jiǎn)