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)(dian)(dian)動(dong)自(zi)行(xing)(xing)車的(de)逐漸(jian)普及，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)自(zi)行(xing)(xing)車的(de)主要(yao)能源---鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)也成(cheng)為眾人關(guan)心(xin)的(de)焦點(dian)。鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)與(yu)鎳(nie)鎘、鎳(nie)氫電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)不(bu)太一(yi)樣，因其能量密度高，對(dui)充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)要(yao)求很高。當過充、過放、過流(liu)及短路(lu)(lu)保(bao)護等(deng)情況發生時，鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)內(nei)的(de)壓力(li)與(yu)熱量大(da)量增加，容(rong)易產生爆(bao)炸，因此通常都會在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)包內(nei)加保(bao)護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，用以(yi)提(ti)高鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)使(shi)用壽命。針(zhen)對(dui)目(mu)前電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)車鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組(zu)所用的(de)保(bao)護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)大(da)多都由(you)(you)分(fen)立原件構(gou)(gou)成(cheng)，存(cun)在(zai)控(kong)制精度不(bu)夠(gou)高、技術指標低、不(bu)能有效保(bao)護鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組(zu)等(deng)特點(dian)，本(ben)文中(zhong)提(ti)出一(yi)種基于單(dan)片機的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)車36 V鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組(zu)（由(you)(you)10節3. 6 V鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)串聯而成(cheng)）保(bao)護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)設計方案，利(li)用高性能、低功耗的(de)ATmega16L 單(dan)片機作為檢測(ce)和(he)控(kong)制核心(xin)，用由(you)(you)MC34063構(gou)(gou)成(cheng)的(de)DC /DC變換控(kong)制電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)為整(zheng)個保(bao)護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)提(ti)供(gong)穩壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源，輔以(yi)LM60 測(ce)溫、MOS管IRF530N作充放電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)控(kong)制開(kai)關(guan)，實現對(dui)整(zheng)個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組(zu)和(he)單(dan)個電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)狀態(tai)監控(kong)和(he)保(bao)護功能，達到(dao)延長電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)使(shi)用壽命的(de)目(mu)的(de)。

1 保護電路硬件設計

本(ben)系(xi)統以單片(pian)機(ji)為數(shu)據處理和控制的核心(xin)，將任務設計分解為電(dian)壓測量(liang)、電(dian)流測量(liang)、溫(wen)度測量(liang)、開關(guan)控制、電(dian)源、均衡充(chong)電(dian)等(deng)功能(neng)模(mo)塊。系(xi)統的總體框圖(tu)如(ru)圖(tu)1所示。

圖1 系統的總體框圖

電(dian)(dian)池(chi)組電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流(liu)、溫度等信(xin)息通過電(dian)(dian)壓采(cai)樣、電(dian)(dian)流(liu)采(cai)樣和溫度測量電(dian)(dian)路，加到信(xin)號采(cai)集部分的(de)A /D輸(shu)入(ru)端(duan)。 A /D模塊將輸(shu)入(ru)的(de)模擬信(xin)號轉換為(wei)數字信(xin)號，并傳輸(shu)給單(dan)片機(ji)。單(dan)片機(ji)作(zuo)為(wei)數據(ju)處理和控(kong)制的(de)核(he)心，一方面實時(shi)監控(kong)電(dian)(dian)池(chi)組的(de)各(ge)項性(xing)能(neng)指標和狀態，一方面根據(ju)這些狀態參數控(kong)制驅動大(da)功率(lv)開關。由于使用了單(dan)片機(ji)，使系統具有很大(da)的(de)靈(ling)活性(xing)，便于實現各(ge)種復雜控(kong)制，從而(er)能(neng)方便地對系統進行功能(neng)擴展和性(xing)能(neng)改(gai)進。

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 單片機的外圍電路設計

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 穩壓電(dian)源模塊電(dian)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)壓(ya)電(dian)(dian)流檢(jian)(jian)(jian)測電(dian)(dian)路的(de)設計如圖4 所(suo)示。運算放(fang)(fang)大(da)器LM358的(de)5, 6引(yin)(yin)腳所(suo)接(jie)的(de)BB,AA為待測的(de)充電(dian)(dian)、放(fang)(fang)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)，經過(guo)放(fang)(fang)大(da)后(hou)由7腳輸(shu)(shu)出至(zhi)單片機(ji)進(jin)行(xing)檢(jian)(jian)(jian)測，當檢(jian)(jian)(jian)測到(dao)待測電(dian)(dian)壓(ya)達到(dao)過(guo)充、過(guo)放(fang)(fang)保護電(dian)(dian)壓(ya)時，由單片機(ji)控制(zhi)斷開充放(fang)(fang)電(dian)(dian)回路。電(dian)(dian)流檢(jian)(jian)(jian)測通過(guo)霍(huo)爾傳感器完成，如圖4所(suo)示，將從UGN -3501M1, 8引(yin)(yin)腳輸(shu)(shu)出的(de)霍(huo)爾電(dian)(dian)壓(ya)uH 接(jie)至(zhi)LM358的(de)3, 4引(yin)(yin)腳，經過(guo)放(fang)(fang)大(da)后(hou)從1 腳輸(shu)(shu)出ADC3 至(zhi)單片機(ji)，進(jin)行(xing)過(guo)電(dian)(dian)流保護。 UGN - 3501M 的(de)5, 6, 7引(yin)(yin)腳連(lian)接(jie)調整電(dian)(dian)位(wei)器，用以補償不等(deng)位(wei)電(dian)(dian)勢，同時改(gai)善線性。調整5, 6引(yin)(yin)腳外(wai)接(jie)電(dian)(dian)阻R16,可使輸(shu)(shu)出霍(huo)爾電(dian)(dian)壓(ya)uH 與磁場強度有(you)較好的(de)線性關系(xi)。

圖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(lu)如(ru)圖5所示。由穩(wen)壓(ya)部分輸出的3. 3 V 電(dian)(dian)源為此電(dian)(dian)路(lu)供電(dian)(dian)，經過溫度傳感器(qi)將探(tan)測(ce)點的溫度轉化為電(dian)(dian)壓(ya)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(ya)值達到(dao)溫控要求(qiu)時，單片機控制(zhi)開關通斷。

圖5 溫(wen)度檢測電(dian)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

本系統軟件采用C語言編寫，處理程序采用模塊(kuai)化編程，程序運行(xing)的環境是ICCAVR 開(kai)發系統。

在電(dian)池(chi)組(zu)空載的時(shi)候，系統(tong)進入掉電(dian)模(mo)式(shi)，以使功耗(hao)降(jiang)至最低(di)；當電(dian)池(chi)組(zu)接入負(fu)載或對電(dian)池(chi)組(zu)充電(dian)時(shi)，單片機(ji)被激活(huo)，由低(di)功耗(hao)掉電(dian)模(mo)式(shi)轉入正常工作(zuo)模(mo)式(shi)，并持(chi)續運作(zuo)。整個程序(xu)的流程如圖6所示。

圖(tu)6 程(cheng)序流程(cheng)

根據本(ben)系統的(de)模(mo)(mo)塊(kuai)分布，單片機程(cheng)序分為電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)(liang)模(mo)(mo)塊(kuai)、電(dian)流(liu)測(ce)量(liang)(liang)模(mo)(mo)塊(kuai)和(he)溫度測(ce)量(liang)(liang)模(mo)(mo)塊(kuai)，每一模(mo)(mo)塊(kuai)調用共同A /D轉換函數和(he)延時判(pan)斷(duan)函數等，以縮短代(dai)(dai)碼長度和(he)增強(qiang)程(cheng)序代(dai)(dai)碼的(de)可讀性。下面給出程(cheng)序主函數的(de)代(dai)(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(guo)實驗(yan)，本保護(hu)(hu)電(dian)路系(xi)(xi)統(tong)(tong)實現(xian)了全(quan)部(bu)基本功(gong)(gong)能。與傳統(tong)(tong)采用分離(li)元件的電(dian)池保護(hu)(hu)系(xi)(xi)統(tong)(tong)相比(bi)，本文中提出基于單片機的電(dian)池保護(hu)(hu)電(dian)路系(xi)(xi)統(tong)(tong)具有(you)系(xi)(xi)統(tong)(tong)體(ti)積小、功(gong)(gong)能多、功(gong)(gong)耗低(di)(di)、成本低(di)(di)等特點，可用于工業生產。

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