基于單片機(jī)的動力電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計
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鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當(dāng)前比能量最高的電池。但正是因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏缺容^高，當(dāng)發(fā)生誤用或?yàn)E用時，將會引起安全事故。而電池管理系統(tǒng)能夠解決這一問題。當(dāng)電池處在充電過壓或者是放電欠壓的情況下，管理系統(tǒng)能夠自動切斷充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節(jié)電池的壓差維持在一個很小的范圍內(nèi)。此外，還具有過溫、過流、剩余電量估測等功能。本文所設(shè)計的就是一種基于單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)[1]。
1 電池管理系統(tǒng)硬件構(gòu)成
針對系統(tǒng)的硬件電路，可分為MCU模塊、檢測模塊、均衡模塊。
1.1 MCU模塊
MCU是系統(tǒng)控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號的單片機(jī)。該系列所有的MCU均采用增強(qiáng)型M68HC08中央處理器(CP08)。該單片機(jī)具有以下特性：
(1)8 MHz內(nèi)部總線頻率；(2)16 KB的內(nèi)置Flash存儲器；(3)2個16位定時器接口模塊；(4)支持1 MHz～8 MHz晶振的時鐘發(fā)生器；(5)增強(qiáng)型串行通信接口(ESCI)模塊。
1.2 檢測模塊
檢測模塊中將對電壓檢測、電流檢測和溫度檢測模塊分別進(jìn)行介紹。
1.2.1 電壓檢測模塊
本系統(tǒng)中，單片機(jī)將對電池組的整體電壓和單節(jié)電壓進(jìn)行檢測。對于電池組整體電壓的檢測有2種方法：(1)采用專用的電壓檢測模塊，如霍爾電壓傳感器；(2)采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路。采用專用的電壓檢測模塊成本較高，而且還需要特定的電源，過程比較復(fù)雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測。10串錳酸鋰電池組電壓變化的范圍是28 V～42 V。采用3.9 M?贅和300 k?贅的電阻進(jìn)行分壓，采集出來的電壓信號的變化范圍是2 V～3 V，所對應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為409和614。
對于單體電池的檢測，主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示[2]，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過四通道的開關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動信號，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護(hù)作用。
如圖1所示，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過四通道的開關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動信號，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護(hù)作用。
以上6節(jié)電池可以用2個三通道開關(guān)切換陣列來實(shí)現(xiàn)。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開關(guān)，通過選址實(shí)現(xiàn)通道的選擇。開關(guān)S5、S6、S7負(fù)責(zé)將電池的正極連接至飛電容的正極。開關(guān)S2、S3、S4負(fù)責(zé)將電池負(fù)極連接至飛電容的負(fù)極。三通道開關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與四通道開關(guān)切換陣列類似，只是通道數(shù)少1路。工作時，單片機(jī)發(fā)出通道選址信號，讓其中1路電池的正負(fù)極與電容連接，對電容進(jìn)行充電，然后斷開通道開關(guān)，接通跟隨放大器的開關(guān)，單片機(jī)對電容的電壓進(jìn)行快速檢測，由此完成了對1節(jié)電池的電壓檢測。若發(fā)現(xiàn)檢測電壓小于2.8 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過放或保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測線斷路，單片機(jī)將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復(fù)上述過程，單片機(jī)即完成對本模塊所管理的電池的檢測。
1.2.2 電流采樣電路
電流采樣時，電池管理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當(dāng)電池放電時，用康銅絲對電流信號進(jìn)行檢測，將檢測到的電壓信號經(jīng)過差模放大器的放大，變?yōu)?～5 V的電壓信號送至單片機(jī)。如果放電的電流過大，單片機(jī)檢測到的電壓信號比較大，就會驅(qū)動三極管動作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。比如，對于36 V的錳酸鋰電池來說，設(shè)定其保護(hù)電流是60 A。康銅絲的電阻是5 mΩ左右。當(dāng)電流達(dá)到60 A時，康銅絲的電壓達(dá)300 mV左右。為提高精度，將電壓通過放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測。
1.2.3 溫度檢測
電池組在充、放電過程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來， 這部分熱量不及時排除會引起電池組過熱。如果單個鎳氫電池溫度超過55℃，電池特性就會變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會被打破，繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對電池組溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測并進(jìn)行散熱處理。
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