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引言
鋰電池由于具有體積小、質(zhì)量輕、電壓高、功率大、自放電少以及使用壽命長等優(yōu)點，逐漸成為動力電池的主流。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，因此在應用時需要進行一定的管理。另外鋰電池對充放電的要求很高，當出現(xiàn)過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時，會使鋰電池溫度上升，嚴重破壞鋰電池性能，導致電池壽命縮短。當鋰電池串聯(lián)使用于動力設備中時，由于各單節(jié)鋰電池間內(nèi)部特性的不一致，會導致各節(jié)鋰電池充、放電的不一致。一節(jié)性能惡化時，整個電池組的行為特征都會受到此電池的限制，降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發(fā)揮其優(yōu)越性能，延長使用壽命，必須要對鋰電池在充、放電時進行實時監(jiān)控，提供過壓、過流、溫度保護和電池間能量均衡。
本文設計的動力鋰電池組管理系統(tǒng)安裝在鋰電池組的內(nèi)部，以單片機為控制核心，在實現(xiàn)對各節(jié)鋰電池能量均衡的同時，還可以實現(xiàn)過充、過放、過流、溫度保護及短路保護。通過LCD顯示電池組的各種狀態(tài)，并可以通過預留的通信端口讀取各節(jié)鋰電池的歷史性能狀態(tài)。
系統(tǒng)總體方案設計
動力鋰電池智能管理系統(tǒng)主要由充電模塊、數(shù)據(jù)采集模塊(包括電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)采集)、均衡模塊、電量計算模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 管理系統(tǒng)結構框圖
整個系統(tǒng)以單片機為主控制器，通過采集電流信息，判斷出電池組是在充電、放電還是在閑置狀態(tài)及是否有過流現(xiàn)象，并對其狀態(tài)做出相應處理。對各節(jié)電池電壓進行采集分析后，系統(tǒng)決定是否啟動均衡模塊對整個電池組進行能量均衡，同時判斷是否有過充或過放現(xiàn)象。溫度的采集主要用于系統(tǒng)的過溫保護。整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)、電流、各節(jié)電壓、剩余電量及溫度信息都會通過液晶顯示模塊實時顯示。下面對其各個模塊的實現(xiàn)方法進行介紹。
微控制器 ATmega8
本系統(tǒng)采用的微控制器是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機ATmega8。該單片機具備AVR高檔單片機系列的全部性能和特點，支持在線編程(ISP)，只需要一條可自制的下載線就可以進行單片機系統(tǒng)的開發(fā)。其中ATmega8單片機有6路A/D轉(zhuǎn)換通道，其中有4路為10位精度，在設計中可直接用于電池電壓的測量。ATmega8的各項性能使其成為適應性強、靈活性高、成本低的嵌入式高效微控制器， 特別適合在開發(fā)階段使用。
充電控制模塊原理與實現(xiàn)
鋰電池常規(guī)充電法是按預充、恒流、恒壓三個階段進行的，時序圖如圖2所示。
圖2 常規(guī)充電法時序圖
由于管理系統(tǒng)是隨電池組一起放在電池箱內(nèi)，且充電器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充電器形成閉環(huán)控制，就會使該管理系統(tǒng)的通用性降低。為實現(xiàn)高通用性，使管理系統(tǒng)和外部的充電器單獨工作，本電池管理系統(tǒng)采用間歇式充電法，如圖3所示。
圖3 間歇式充電法時序圖
間歇式充電法是在預充和保持階段通過間歇地打開和關閉充電回路，等效地改變充電電流的大小，進而實現(xiàn)在預充和保持狀態(tài)時需要小電流、在正常充電時需要大電流的的性能要求。
在對帶有管理系統(tǒng)的電池組進行充電時，需要外接與之匹配的恒壓電源充電器，對其恒壓值U的要求為：U=4.2V×N+損耗電壓，其中N為電池節(jié)數(shù)。
限流值為該動力鋰電池的常規(guī)充電電流0.3C(C為電池容量)，在進行充電前必須先進行系統(tǒng)的初始化，然后按照間歇式充電法對電池組自動充電。?
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電壓采樣模塊原理與實現(xiàn)??
鋰離子電池在充電時要求其端電壓控制在4.2V以下，為防止過充損壞電池，要求必須在充電時實時檢測各單節(jié)鋰電池電壓。管理系統(tǒng)采用圖4所示的電壓采樣檢測方案。其工作原理是：首先把單刀雙擲開關K1、K2向上打到電壓測量檔，并通過MCU控制的多路開關Kn-1、Kn-2 (n=1、2、3、4、5、6、7)，同步地將電容分別接到各單節(jié)電池兩端，使電容充電至電容電壓等于被測單節(jié)電池的電壓；然后斷開MCU控制的多路開關Kn-1、Kn-2，同時合上開關K3和K4接入A/D轉(zhuǎn)換器進行測量。該方案可直接使用微處理器內(nèi)的10位A/D轉(zhuǎn)換器，不需要另外加入A/D芯片，節(jié)省了設計成本。實際電路中的模擬開關采用繼電器實現(xiàn)。
均衡模塊原理與設計
動力電池組是由多個單節(jié)電池串聯(lián)組成的電池模塊，由于電池個體之間內(nèi)部特性的差異，若干次充、放電后，電池組會失衡，嚴重影響動力電池組的效率與安全。另外，電池組在充放電過程中的過充電、過放電、電流過大、溫度過高等現(xiàn)象會加劇電池間特性的差異，從而引起單節(jié)鋰電池之間容量、電壓等性能的不平衡，最終導致電池組整體特性的急劇衰退和部分電池的加速損壞。因此在鋰電池組合使用時必須要解決各個單節(jié)電池在電池組中的平衡問題。
電池組中各節(jié)電池電量的均衡可采用電阻均衡、電容均衡、變壓器均衡等多種方案。由于本管理系統(tǒng)是針對大容量的動力鋰電池組，若采用電阻均衡，均衡速度快但將會有過多的能量白白浪費掉；電容均衡雖然不額外耗能，但是均衡電流一般較小，很難勝任動力鋰電池之間的均衡。故本均衡模塊采用兼顧效率和速度的變壓器均衡方案。在具體設計中直接采用DC/DC開關電源模塊。由于開關電源模塊具有功耗小、效率高、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，將其直接作為均衡模塊使用是一個很好的選擇。在具體使用時，根據(jù)檢測到的各單節(jié)電池的電壓值判斷是否需要對電池組進行能量均衡。若需要，閉合均衡總開關K5，開關K1、K2向下打到均衡檔，用電池組的整體能量對電壓最低節(jié)電池進行額外的均衡充電，直到各節(jié)電池電壓值的差別在系統(tǒng)要求范圍之內(nèi)。原理圖如圖4所示。
圖4 電壓采樣、均衡充電原理圖
電流采樣的實現(xiàn)
電流是電池容量估計的關鍵參數(shù)，因此對電流采樣的精度、抗干擾能力和線性度誤差的要求都很高。在本設計中采用LEM公司的閉環(huán)電流傳感器LTSR25-NP，如圖5所示，
圖5 LTSR25-NP實物圖
該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應時間。其額定電流為25A，最高可測80A的電流，滿足系統(tǒng)設計的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉(zhuǎn)換為0V~5V的電壓信號，送至單片機的10位A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換后可測得充放電電流，測量精度為0.2A。其工作特性曲線如圖6所示。
圖6 電流傳感器LTSR25-NP 工作特性曲線
圖中以VREF為參考點電壓，默認為2.5V，IP為被測量電流。
溫度采樣的實現(xiàn)
電池管理系統(tǒng)中的溫度檢測采用的是美國DALLAS半導體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20。它是單片結構，無需外加A/D轉(zhuǎn)換器即可輸出9~12位的數(shù)字量。通信采用單總線協(xié)議，對DS18B20的各種操作通過一條數(shù)據(jù)線即可完成。因為每個DS18B20都含有唯一的序列碼，使每條總線上可同時連接多個DS18B20，這就使得DS18B20連線簡單，系統(tǒng)設計靈活，適合用于多點測溫系統(tǒng)，特別是與單片機合用構成的溫度檢測與控制系統(tǒng)。
顯示模塊的實現(xiàn)
LCD顯示選用DM12864M漢字圖形點陣液晶顯示模塊。該模塊可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個中文漢字(16×16點陣)、128個字符(8×16點陣)及64×256點陣顯示RAM。主要技術參數(shù)和顯示特性如下：
電源VDD：3.3V~5V(內(nèi)置升壓電路，無需負壓)；
顯示內(nèi)容：128列×64行；
LCD類型：STN；
與MCU的接口：8位或4位并行/3位串行；
多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。
本系統(tǒng)使用串行接口，通過液晶模塊可顯示電池組總電壓、各單節(jié)電池電壓、充放電電流、充放電時間、工作溫度以及剩余電量等。
數(shù)據(jù)存儲通信模塊的實現(xiàn)?
鋰電池管理系統(tǒng)在鋰電池充放電過程中把充放電信息，包括各節(jié)電池的電壓、充放電電流、工作溫度、電池電量等通過采樣實時寫入Flash存儲芯片SST25VF020中保存。在需要時，可通過串口與上位PC機通信把存儲在Flash中的歷史數(shù)據(jù)讀到PC上。
SST25VF020是SST25VF系列Flash存儲芯片。其芯片具有以下特點：總?cè)萘繛?M；單電源讀和寫操作，工作電壓為2.7V~3.3V；低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3μA；時鐘頻率高達33MHz；數(shù)據(jù)可保存100年；其封裝為SOIC和小尺寸的WSON封裝。實際應用電路如圖7所示。
圖7? FLASH存儲器電路原理圖
軟件設計
該系統(tǒng)的軟件設計采用單片機C語言完成，主要包括單體電壓測量程序、電流檢測程序、溫度檢測程序、能量均衡程序、充電管理程序、LCD顯示程序及數(shù)據(jù)存儲通信程序等幾個程序模塊。其主流程圖如圖8所示。
圖8 主流程圖
電壓測量程序
通過單片機的10位A/D轉(zhuǎn)換模塊測量單節(jié)電池的電壓值。為了提高測量的精度，軟件采用“篩值平均”的軟件濾波方法。在對每節(jié)電池的模擬量進行測量時，連續(xù)測量多次，然后篩去最高值和最低值，再對剩余的測量值取平均值，以獲得最佳的測量結果。然后根據(jù)電壓的計算方式，獲得電池的電壓。在電壓測量完成后，運行“冒泡排序”的程序，對所有的電池電壓進行排序，標記出最低、最高電池，為均衡模塊服務。
充電管理程序
通過檢測到的單節(jié)電池電壓判斷電池所處的充電階段，并利用單片機的脈寬調(diào)制輸出(PWM)來控制MOSFET以實現(xiàn)預充階段的小電流充電和保持充電階段的脈沖充電。當檢測到電池充電完畢后，自動斷開充電回路。充電管理模塊通過檢測到的電壓、電流、溫度值判斷電池是否工作在正常狀態(tài)，如出現(xiàn)過壓、過流或溫度過高等現(xiàn)象，立刻通過MOSFET關閉充放電回路，并點亮故障提示燈。
結語?
本設計為動力鋰電池組提供了智能管理系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)為電池組提供了各種保護及能量均衡控制，最大限度地發(fā)揮了鋰電池組的整體性能。開發(fā)出的樣機通過在7節(jié)50AH串聯(lián)雷天鋰電池組上試驗，實現(xiàn)最大均衡電流為2.5A，均衡效率為80%左右，性能完全滿足動力鋰電池組能量均衡的要求，具有很好的應用前景和推廣價值。
參考文獻
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