電動車36V鋰電池組保護電路設計方案

發布日期 : 2018年06月16日00時00分00秒

隨著電(dian)(dian)(dian)(dian)動自行(xing)車(che)(che)的(de)逐漸普及，電(dian)(dian)(dian)(dian)動自行(xing)車(che)(che)的(de)主要能(neng)源---鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)也成為(wei)眾人關心(xin)的(de)焦點。鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)與鎳鎘(ge)、鎳氫(qing)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)不(bu)太一(yi)樣，因(yin)其能(neng)量密(mi)度高(gao)(gao)，對充(chong)放電(dian)(dian)(dian)(dian)要求(qiu)很(hen)高(gao)(gao)。當過(guo)充(chong)、過(guo)放、過(guo)流及短路(lu)(lu)保(bao)護(hu)等(deng)情況發生時，鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)內(nei)的(de)壓力與熱量大(da)(da)量增加(jia)，容易產生爆炸，因(yin)此通常都會(hui)在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)包內(nei)加(jia)保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，用(yong)(yong)以提高(gao)(gao)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)使用(yong)(yong)壽(shou)命。針對目前電(dian)(dian)(dian)(dian)動車(che)(che)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組所用(yong)(yong)的(de)保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)大(da)(da)多都由(you)分立原件(jian)構(gou)成，存在(zai)控制(zhi)精度不(bu)夠高(gao)(gao)、技術指(zhi)標低、不(bu)能(neng)有(you)效保(bao)護(hu)鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組等(deng)特點，本文中提出一(yi)種基于單(dan)(dan)片(pian)機的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)動車(che)(che)36 V鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組（由(you)10節(jie)3. 6 V鋰電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)串聯而成）保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)設計方案(an)，利用(yong)(yong)高(gao)(gao)性能(neng)、低功耗的(de)ATmega16L 單(dan)(dan)片(pian)機作為(wei)檢測(ce)和控制(zhi)核心(xin)，用(yong)(yong)由(you)MC34063構(gou)成的(de)DC /DC變換控制(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)為(wei)整個(ge)(ge)保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)提供穩壓電(dian)(dian)(dian)(dian)源，輔以LM60 測(ce)溫、MOS管IRF530N作充(chong)放電(dian)(dian)(dian)(dian)控制(zhi)開關，實(shi)現對整個(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組和單(dan)(dan)個(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)狀(zhuang)態(tai)監(jian)控和保(bao)護(hu)功能(neng)，達到延長電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)使用(yong)(yong)壽(shou)命的(de)目的(de)。

1 保護電路硬件設計

本系統以單片機為(wei)數據(ju)處理(li)和控制的核心，將任務設計分解為(wei)電(dian)壓測量(liang)、電(dian)流測量(liang)、溫度測量(liang)、開關控制、電(dian)源、均(jun)衡充電(dian)等功能模塊。系統的總體(ti)框(kuang)圖如圖1所示。

圖1 系統(tong)的總(zong)體(ti)框(kuang)圖

電(dian)(dian)池(chi)組(zu)電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流、溫度等信(xin)(xin)息通過電(dian)(dian)壓采(cai)(cai)樣(yang)、電(dian)(dian)流采(cai)(cai)樣(yang)和(he)(he)溫度測量(liang)電(dian)(dian)路，加(jia)到(dao)信(xin)(xin)號采(cai)(cai)集部(bu)分的A /D輸入(ru)端。 A /D模塊將輸入(ru)的模擬信(xin)(xin)號轉(zhuan)換為數(shu)(shu)字信(xin)(xin)號，并傳輸給單(dan)片機。單(dan)片機作為數(shu)(shu)據(ju)處理和(he)(he)控制(zhi)的核心，一方面(mian)實時監控電(dian)(dian)池(chi)組(zu)的各項性能指(zhi)標和(he)(he)狀態，一方面(mian)根據(ju)這(zhe)些狀態參數(shu)(shu)控制(zhi)驅(qu)動大功率開關。由于使用了單(dan)片機，使系統具有(you)很大的靈活性，便于實現各種復雜控制(zhi)，從而能方便地對系統進(jin)行功能擴展和(he)(he)性能改進(jin)。

1. 1 ATmega16 L單片機模塊
從低功耗、低成本設計角度出發，單片機模塊采用高性能、低功耗的ATmega16 L單片機作為檢測與控制核心。 ATmega16 L 是基于增強的AVRR ISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，內部帶有16 k 字節的系統內可編程Flash, 512 字節EEPROM, 1 k字節SRAM, 32個通用I/O口線， 32個通用工作寄存器（用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程） , 3個具有比較模式的靈活定時器/計數器（ T/C）（片內/外中斷） ,可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口， 8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（ TQFP封裝）的ADC,具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SP I串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16 L的數據吞吐率高達1M IPS/MHz,從而可以緩減系統功耗和處理速度之間的矛盾。

單片機的輸入輸出設計如圖2所示。由電源部分降壓、穩壓得到的3. 3 V電壓通過端口10為單片機提供工作電壓；端口12和13為反向振蕩放大器與片內時鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機提供工作晶振；端口30是端口A與A /D轉換器的電源，使用ADC時通過一個低通濾波器與端口10的VCC連接；端口37,38的ADC3, ADC2是經過轉換后待檢測的電壓、電流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是經過溫度傳感器轉換后的溫控電壓值。

圖2 單片(pian)機(ji)的外圍電(dian)路設計(ji)

1. 2 穩壓電源模塊
穩壓電源是單片機系統的重要組成部分，它不僅為系統提供多路電源電壓，還直接影響到系統的技術指標和抗干擾性能。 ATmega16 L單片機的工作電壓為2. 7~5. 5 V,為保證單片機穩定的工作電壓為3. 3 V. 穩壓部分是由MC34063構成的DC /DC變換控制電路，從電池組分出的25 V電壓經過電路降壓、穩壓，輸出3. 3 V,供保護電路工作，其電路如圖3所示。

圖3 穩(wen)壓電源模塊電路

1. 3 充電均衡模塊
采用模擬電路方案。即在每節電池的外部搭建過壓保護電路，充電過程中當電壓超過預定值時，保護電路自動閉合，使電池通過電阻回路放電，以保護電池不會過度充電。當電池電壓減小到均衡充電動作電壓4. 18 V時，保護電路自動斷開。

1. 4 電壓電流測量模塊
待測的電壓通過集成運算放大器LM358,將輸出送至單片機進行檢測。 LM358內部包括2個獨立、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用和雙電源工作模式，由于其低功耗電流，也適合于電池。用霍爾傳感器UGN - 3501 M 檢測直流電流。 UGN -3501M是集成型霍爾傳感器，采用差動霍爾電壓輸出，檢測靈敏度為1. 4 V /0. 1T.

電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)流檢測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)設計如(ru)(ru)圖(tu)4 所示。運算放(fang)大(da)(da)器(qi)LM358的(de)(de)5, 6引(yin)腳(jiao)所接(jie)的(de)(de)BB,AA為待(dai)測(ce)(ce)的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)、放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)，經過(guo)(guo)放(fang)大(da)(da)后(hou)由7腳(jiao)輸出(chu)至(zhi)單片機進行檢測(ce)(ce)，當檢測(ce)(ce)到待(dai)測(ce)(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)達到過(guo)(guo)充(chong)、過(guo)(guo)放(fang)保護電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)時，由單片機控制斷開充(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)回路(lu)。電(dian)(dian)(dian)(dian)流檢測(ce)(ce)通過(guo)(guo)霍爾(er)傳感器(qi)完成，如(ru)(ru)圖(tu)4所示，將從(cong)UGN -3501M1, 8引(yin)腳(jiao)輸出(chu)的(de)(de)霍爾(er)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)uH 接(jie)至(zhi)LM358的(de)(de)3, 4引(yin)腳(jiao)，經過(guo)(guo)放(fang)大(da)(da)后(hou)從(cong)1 腳(jiao)輸出(chu)ADC3 至(zhi)單片機，進行過(guo)(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)流保護。 UGN - 3501M 的(de)(de)5, 6, 7引(yin)腳(jiao)連接(jie)調(diao)整電(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)器(qi)，用以(yi)補償(chang)不等位(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)勢，同時改善線性(xing)(xing)。調(diao)整5, 6引(yin)腳(jiao)外接(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)阻R16,可使輸出(chu)霍爾(er)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)uH 與磁場強度有較好的(de)(de)線性(xing)(xing)關系。

圖(tu)4 電壓電流檢測電路

1. 5 溫度檢測模塊
溫度檢測和控制模塊選用電壓輸出型的半導體溫度傳感器LM60. 該傳感器是一種已校正的集成化溫度傳感器，它的工作溫度范圍是- 40 ℃至125 ℃，工作電壓范圍是2. 7 V至10 V. 信號輸出與溫度成正比，信號大小可達+ 6. 25 mV /℃。

基于LM60的溫度檢測(ce)電(dian)(dian)路如圖(tu)5所示。由穩壓部分輸出的3. 3 V 電(dian)(dian)源(yuan)為此(ci)電(dian)(dian)路供電(dian)(dian)，經過溫度傳感器將探(tan)測(ce)點的溫度轉化為電(dian)(dian)壓值通過ADC0,ADC1輸出，再將ADC0, ADC1送入單片機進行檢測(ce)，當電(dian)(dian)壓值達到溫控要求時，單片機控制(zhi)開關(guan)通斷(duan)。

圖5 溫度檢測(ce)電路

1. 6 開關模塊
開關采用MOSFET,型號選用P溝道的MOS管的IR530N. 工作原理：單片機控制端口輸出高電平，功率三極管導通，功率場效應管的柵極和漏極之間產生壓降，功率場效應管導通。

2 軟件設計

本系統軟件(jian)采用(yong)C語言編(bian)寫(xie)，處理程(cheng)(cheng)序采用(yong)模塊化編(bian)程(cheng)(cheng)，程(cheng)(cheng)序運行(xing)的環境是ICCAVR 開發系統。

在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組空載的(de)時(shi)候，系統進入掉(diao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)模式(shi)，以使(shi)功耗(hao)降至最低；當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組接入負載或(huo)對電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組充電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)時(shi)，單片(pian)機被激活，由低功耗(hao)掉(diao)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)模式(shi)轉入正常工作模式(shi)，并持續運(yun)作。整個(ge)程序的(de)流(liu)程如圖6所(suo)示(shi)。

圖(tu)6 程序流程

根據本系統(tong)的模塊(kuai)分布(bu)，單片機程序分為電壓測量(liang)模塊(kuai)、電流(liu)測量(liang)模塊(kuai)和溫度測量(liang)模塊(kuai)，每一模塊(kuai)調用共同(tong)A /D轉換函(han)數(shu)(shu)和延時判斷函(han)數(shu)(shu)等(deng)，以縮短代(dai)碼長(chang)度和增強程序代(dai)碼的可(ke)讀(du)性。下面(mian)給(gei)出程序主函(han)數(shu)(shu)的代(dai)碼：

void main （void）
{
    int （） ; / /單片機初始化，打開所有開關；
    sleep （） ; / /單片機進入休眠模式；
    int sign |= 1;
    while （ sign = = 1 ） / /判斷系統是否運行正常；
    { int（） ;
      dianya （） ; / /調用測壓模塊；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      dianliu （） ; / /調用測流模塊；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      wendu （） ; / /調用溫度模塊；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
    }
    int （） ;
    sign |= 1;
    main （） ;
}

3 結束語

通(tong)過實(shi)驗，本保護電(dian)(dian)路系統(tong)實(shi)現了全部基(ji)本功能(neng)。與傳統(tong)采(cai)用(yong)分離元件的(de)電(dian)(dian)池保護系統(tong)相比(bi)，本文中提出基(ji)于單(dan)片機的(de)電(dian)(dian)池保護電(dian)(dian)路系統(tong)具有系統(tong)體積小、功能(neng)多、功耗低、成本低等特點，可(ke)用(yong)于工業生產。

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