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(zi)行車(che)的(de)(de)(de)逐漸普及，電(dian)(dian)(dian)(dian)動自(zi)行車(che)的(de)(de)(de)主要(yao)能源(yuan)---鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)也成(cheng)為眾人關(guan)心(xin)的(de)(de)(de)焦點。鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)與(yu)鎳(nie)鎘、鎳(nie)氫電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)不(bu)太一樣，因(yin)其能量(liang)密度(du)(du)高，對充(chong)放電(dian)(dian)(dian)(dian)要(yao)求很高。當過(guo)充(chong)、過(guo)放、過(guo)流及短(duan)路(lu)(lu)保(bao)護(hu)等(deng)情況發(fa)生(sheng)時，鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)內的(de)(de)(de)壓力與(yu)熱量(liang)大量(liang)增(zeng)加(jia)，容易產(chan)生(sheng)爆(bao)炸，因(yin)此通常都(dou)會(hui)在電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)包內加(jia)保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)，用以提高鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)使(shi)用壽命。針對目前電(dian)(dian)(dian)(dian)動車(che)鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組所用的(de)(de)(de)保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)大多都(dou)由(you)分(fen)立原件構成(cheng)，存在控(kong)制(zhi)精度(du)(du)不(bu)夠(gou)高、技術指標低(di)、不(bu)能有效保(bao)護(hu)鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組等(deng)特點，本文中提出(chu)一種(zhong)基于單(dan)片機(ji)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)動車(che)36 V鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組（由(you)10節3. 6 V鋰(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)串聯而成(cheng)）保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)設計方案(an)，利用高性能、低(di)功耗(hao)的(de)(de)(de)ATmega16L 單(dan)片機(ji)作為檢(jian)測和控(kong)制(zhi)核(he)心(xin)，用由(you)MC34063構成(cheng)的(de)(de)(de)DC /DC變換控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)為整個保(bao)護(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)提供穩壓電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，輔以LM60 測溫、MOS管IRF530N作充(chong)放電(dian)(dian)(dian)(dian)控(kong)制(zhi)開關(guan)，實現對整個電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)組和單(dan)個電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)的(de)(de)(de)狀(zhuang)態監(jian)控(kong)和保(bao)護(hu)功能，達到延長電(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)(chi)使(shi)用壽命的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。

1 保護電路硬件設計

本系(xi)統(tong)(tong)以單片機為數(shu)據(ju)處理和控(kong)制的核心，將任務設計分解為電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)、電(dian)流測(ce)量(liang)、溫度(du)測(ce)量(liang)、開(kai)關控(kong)制、電(dian)源、均(jun)衡充電(dian)等功能模塊。系(xi)統(tong)(tong)的總體框圖如(ru)圖1所示。

圖1 系統的總(zong)體框圖

電(dian)池(chi)組電(dian)壓(ya)、電(dian)流、溫度等(deng)信息通過電(dian)壓(ya)采樣(yang)、電(dian)流采樣(yang)和溫度測量電(dian)路，加到信號采集部分的A /D輸(shu)入(ru)端。 A /D模(mo)塊將輸(shu)入(ru)的模(mo)擬信號轉(zhuan)換為數(shu)(shu)字信號，并傳輸(shu)給單(dan)片機。單(dan)片機作為數(shu)(shu)據(ju)處(chu)理和控制的核心，一方面(mian)實(shi)時監(jian)控電(dian)池(chi)組的各(ge)(ge)項性能(neng)指標和狀(zhuang)態，一方面(mian)根據(ju)這些(xie)狀(zhuang)態參數(shu)(shu)控制驅動大(da)功率(lv)開關。由于(yu)(yu)使用了單(dan)片機，使系統(tong)具有很大(da)的靈(ling)活性，便于(yu)(yu)實(shi)現各(ge)(ge)種復雜控制，從而(er)能(neng)方便地(di)對系統(tong)進行功能(neng)擴展(zhan)和性能(neng)改進。

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(dan)片(pian)機的外圍電路設(she)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(wen)壓(ya)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)(ya)電(dian)(dian)流(liu)檢測電(dian)(dian)路(lu)的設計如(ru)圖(tu)4 所(suo)示。運算(suan)放(fang)(fang)大(da)器LM358的5, 6引(yin)(yin)(yin)腳所(suo)接(jie)(jie)的BB,AA為待測的充電(dian)(dian)、放(fang)(fang)電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)，經過(guo)放(fang)(fang)大(da)后由(you)7腳輸出至單(dan)片(pian)(pian)機進行(xing)檢測，當檢測到待測電(dian)(dian)壓(ya)(ya)達到過(guo)充、過(guo)放(fang)(fang)保護(hu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)時(shi)，由(you)單(dan)片(pian)(pian)機控(kong)制(zhi)斷(duan)開充放(fang)(fang)電(dian)(dian)回(hui)路(lu)。電(dian)(dian)流(liu)檢測通過(guo)霍爾傳感器完成，如(ru)圖(tu)4所(suo)示，將從(cong)UGN -3501M1, 8引(yin)(yin)(yin)腳輸出的霍爾電(dian)(dian)壓(ya)(ya)uH 接(jie)(jie)至LM358的3, 4引(yin)(yin)(yin)腳，經過(guo)放(fang)(fang)大(da)后從(cong)1 腳輸出ADC3 至單(dan)片(pian)(pian)機，進行(xing)過(guo)電(dian)(dian)流(liu)保護(hu)。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引(yin)(yin)(yin)腳連接(jie)(jie)調(diao)整電(dian)(dian)位器，用(yong)以補償不等位電(dian)(dian)勢，同(tong)時(shi)改善線(xian)性。調(diao)整5, 6引(yin)(yin)(yin)腳外接(jie)(jie)電(dian)(dian)阻(zu)R16,可使輸出霍爾電(dian)(dian)壓(ya)(ya)uH 與(yu)磁場(chang)強度有(you)較好的線(xian)性關系(xi)。

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(de)溫(wen)(wen)度(du)檢測電路(lu)如圖5所(suo)示。由(you)穩壓部分輸出(chu)的(de)3. 3 V 電源為(wei)此電路(lu)供電，經過(guo)(guo)溫(wen)(wen)度(du)傳感(gan)器將探測點的(de)溫(wen)(wen)度(du)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電壓值(zhi)(zhi)通過(guo)(guo)ADC0,ADC1輸出(chu)，再將ADC0, ADC1送入(ru)單片機(ji)進行檢測，當電壓值(zhi)(zhi)達(da)到溫(wen)(wen)控要(yao)求時，單片機(ji)控制開(kai)關通斷(duan)。

圖5 溫度(du)檢測電路

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語言編寫，處理程序(xu)采用(yong)模塊(kuai)化編程，程序(xu)運行的環境是ICCAVR 開發系統。

在電(dian)池(chi)組空載(zai)的(de)時候，系統進入(ru)掉(diao)電(dian)模式(shi)，以使(shi)功耗降至最(zui)低(di)；當電(dian)池(chi)組接入(ru)負載(zai)或(huo)對電(dian)池(chi)組充電(dian)時，單(dan)片機被激活，由(you)低(di)功耗掉(diao)電(dian)模式(shi)轉(zhuan)入(ru)正常工(gong)作模式(shi)，并持續運(yun)作。整個程(cheng)(cheng)序(xu)的(de)流(liu)程(cheng)(cheng)如圖6所示。

圖6 程序流程

根據本(ben)系統的模塊分布，單片機(ji)程序(xu)分為電壓測(ce)量(liang)模塊、電流測(ce)量(liang)模塊和溫度測(ce)量(liang)模塊，每一模塊調用共同A /D轉換(huan)函(han)數和延(yan)時判斷函(han)數等，以縮短代(dai)(dai)碼(ma)(ma)長度和增強程序(xu)代(dai)(dai)碼(ma)(ma)的可讀(du)性。下面給出程序(xu)主函(han)數的代(dai)(dai)碼(ma)(ma)：

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

通過實(shi)驗，本保護電(dian)(dian)路系統實(shi)現了全部基本功能。與傳(chuan)統采用分離元件(jian)的電(dian)(dian)池保護系統相比，本文中提出基于單片機的電(dian)(dian)池保護電(dian)(dian)路系統具有(you)系統體(ti)積小、功能多(duo)、功耗低、成本低等特點，可(ke)用于工業生產(chan)。

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