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(sui)著電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)自行車(che)的(de)(de)(de)逐漸普及(ji)(ji)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)自行車(che)的(de)(de)(de)主要能源---鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)也(ye)成(cheng)為(wei)(wei)眾(zhong)人關(guan)心的(de)(de)(de)焦(jiao)點(dian)。鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)與(yu)鎳鎘、鎳氫(qing)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)不(bu)太一樣，因(yin)其能量(liang)密(mi)度(du)高(gao)(gao)，對充(chong)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)要求(qiu)很高(gao)(gao)。當過充(chong)、過放(fang)(fang)(fang)、過流及(ji)(ji)短路(lu)(lu)(lu)保(bao)護(hu)(hu)等(deng)情況發生時，鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)內的(de)(de)(de)壓力與(yu)熱量(liang)大量(liang)增加(jia)，容(rong)易產(chan)生爆炸，因(yin)此通常(chang)都會在(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)包內加(jia)保(bao)護(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)，用以(yi)提高(gao)(gao)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)使用壽(shou)命。針對目前電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)車(che)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組所用的(de)(de)(de)保(bao)護(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)大多都由分立原件構(gou)成(cheng)，存在(zai)控(kong)制(zhi)精(jing)度(du)不(bu)夠高(gao)(gao)、技術指標(biao)低、不(bu)能有效保(bao)護(hu)(hu)鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組等(deng)特點(dian)，本(ben)文(wen)中提出一種基于單(dan)片(pian)機的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)車(che)36 V鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組（由10節(jie)3. 6 V鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)串聯而成(cheng)）保(bao)護(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)設(she)計方案，利用高(gao)(gao)性能、低功耗的(de)(de)(de)ATmega16L 單(dan)片(pian)機作為(wei)(wei)檢(jian)測(ce)和(he)控(kong)制(zhi)核心，用由MC34063構(gou)成(cheng)的(de)(de)(de)DC /DC變換控(kong)制(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)為(wei)(wei)整個(ge)保(bao)護(hu)(hu)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)(lu)提供(gong)穩壓電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源，輔以(yi)LM60 測(ce)溫、MOS管IRF530N作充(chong)放(fang)(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)控(kong)制(zhi)開(kai)關(guan)，實現(xian)對整個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)組和(he)單(dan)個(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)(de)(de)狀態監控(kong)和(he)保(bao)護(hu)(hu)功能，達(da)到延長(chang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)(chi)使用壽(shou)命的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)。

1 保護電路硬件設計

本系統以單(dan)片機(ji)為數(shu)據處理和控制的(de)核心，將任務設計分解為電壓測量(liang)、電流測量(liang)、溫(wen)度測量(liang)、開關(guan)控制、電源、均衡充電等功能模塊。系統的(de)總體框(kuang)圖(tu)如圖(tu)1所示(shi)。

圖(tu)(tu)1 系統的總(zong)體框圖(tu)(tu)

電(dian)(dian)池組(zu)電(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)流(liu)、溫度等信(xin)息通過電(dian)(dian)壓采樣(yang)、電(dian)(dian)流(liu)采樣(yang)和(he)溫度測量電(dian)(dian)路，加(jia)到信(xin)號采集(ji)部(bu)分的(de)A /D輸入(ru)端。 A /D模(mo)塊將(jiang)輸入(ru)的(de)模(mo)擬信(xin)號轉(zhuan)換為(wei)數字信(xin)號，并傳輸給單(dan)片(pian)機。單(dan)片(pian)機作為(wei)數據處理(li)和(he)控(kong)制的(de)核心，一(yi)方(fang)面(mian)實時監控(kong)電(dian)(dian)池組(zu)的(de)各項(xiang)性能指標(biao)和(he)狀態，一(yi)方(fang)面(mian)根(gen)據這(zhe)些狀態參(can)數控(kong)制驅動大功(gong)率開關。由于使(shi)用了單(dan)片(pian)機，使(shi)系統具有很大的(de)靈活性，便于實現各種復雜控(kong)制，從而(er)能方(fang)便地對系統進行功(gong)能擴展(zhan)和(he)性能改進。

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(tu)2 單片(pian)機(ji)的(de)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(ya)電源(yuan)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)(dian)(dian)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路的(de)設計(ji)如(ru)圖4 所示。運算(suan)放(fang)大器LM358的(de)5, 6引(yin)(yin)腳所接(jie)(jie)的(de)BB,AA為(wei)待測(ce)的(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)、放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)，經過(guo)(guo)放(fang)大后(hou)由7腳輸出(chu)至單(dan)片(pian)機(ji)進(jin)行(xing)檢測(ce)，當(dang)檢測(ce)到待測(ce)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)達到過(guo)(guo)充(chong)、過(guo)(guo)放(fang)保護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)時(shi)，由單(dan)片(pian)機(ji)控制斷開充(chong)放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)回路。電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流檢測(ce)通過(guo)(guo)霍爾傳感器完成，如(ru)圖4所示，將從(cong)UGN -3501M1, 8引(yin)(yin)腳輸出(chu)的(de)霍爾電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)uH 接(jie)(jie)至LM358的(de)3, 4引(yin)(yin)腳，經過(guo)(guo)放(fang)大后(hou)從(cong)1 腳輸出(chu)ADC3 至單(dan)片(pian)機(ji)，進(jin)行(xing)過(guo)(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流保護。 UGN - 3501M 的(de)5, 6, 7引(yin)(yin)腳連接(jie)(jie)調(diao)整電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)器，用以(yi)補償不等(deng)位(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)勢，同時(shi)改善線(xian)性。調(diao)整5, 6引(yin)(yin)腳外接(jie)(jie)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻R16,可(ke)使輸出(chu)霍爾電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)壓(ya)uH 與(yu)磁場強度有較好的(de)線(xian)性關系。

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(de)溫(wen)度檢(jian)測(ce)電路(lu)如圖5所(suo)示。由穩壓部分(fen)輸出(chu)的(de)3. 3 V 電源為此電路(lu)供(gong)電，經過溫(wen)度傳感器將(jiang)探測(ce)點的(de)溫(wen)度轉(zhuan)化為電壓值(zhi)通(tong)過ADC0,ADC1輸出(chu)，再將(jiang)ADC0, ADC1送入(ru)單片機進行檢(jian)測(ce)，當電壓值(zhi)達到(dao)溫(wen)控要求時，單片機控制開(kai)關通(tong)斷。

圖5 溫(wen)度檢測電路

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

本系統軟件采用C語(yu)言(yan)編寫，處理程(cheng)序采用模塊化(hua)編程(cheng)，程(cheng)序運行的(de)環境是(shi)ICCAVR 開發系統。

在電(dian)池組(zu)空載的時候，系統進入(ru)掉電(dian)模(mo)式(shi)(shi)，以(yi)使功耗(hao)降至最低；當電(dian)池組(zu)接入(ru)負載或(huo)對電(dian)池組(zu)充電(dian)時，單片(pian)機被激活，由低功耗(hao)掉電(dian)模(mo)式(shi)(shi)轉入(ru)正常工作(zuo)模(mo)式(shi)(shi)，并持續(xu)運(yun)作(zuo)。整(zheng)個程(cheng)序的流程(cheng)如圖6所示。

圖6 程序(xu)流程

根據(ju)本系統的(de)模(mo)塊(kuai)分布，單(dan)片機(ji)程序分為電(dian)壓測量模(mo)塊(kuai)、電(dian)流測量模(mo)塊(kuai)和(he)(he)溫度測量模(mo)塊(kuai)，每一(yi)模(mo)塊(kuai)調用共同(tong)A /D轉(zhuan)換函數(shu)和(he)(he)延時(shi)判斷函數(shu)等，以縮短代(dai)(dai)(dai)碼長(chang)度和(he)(he)增強程序代(dai)(dai)(dai)碼的(de)可讀(du)性。下面給出程序主函數(shu)的(de)代(dai)(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)過實驗，本保護(hu)電路(lu)(lu)系(xi)(xi)統(tong)(tong)實現了全部(bu)基本功(gong)能。與(yu)傳(chuan)統(tong)(tong)采用分離元(yuan)件的(de)電池保護(hu)系(xi)(xi)統(tong)(tong)相比，本文中提出基于(yu)單片機(ji)的(de)電池保護(hu)電路(lu)(lu)系(xi)(xi)統(tong)(tong)具有系(xi)(xi)統(tong)(tong)體積小(xiao)、功(gong)能多(duo)、功(gong)耗低、成本低等特點，可用于(yu)工業生產。

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