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)(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)的(de)逐漸普及(ji)(ji)，電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)動(dong)自(zi)行(xing)車(che)的(de)主(zhu)要能(neng)源(yuan)---鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)也成為(wei)眾人關心(xin)的(de)焦點(dian)(dian)。鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)與鎳鎘、鎳氫(qing)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)不太一(yi)(yi)樣，因其(qi)能(neng)量(liang)(liang)密度高，對充放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)要求很高。當過(guo)充、過(guo)放(fang)、過(guo)流及(ji)(ji)短路(lu)保護等情(qing)況(kuang)發(fa)生時，鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)內的(de)壓(ya)力與熱(re)量(liang)(liang)大(da)量(liang)(liang)增加，容(rong)易產(chan)生爆炸，因此通常都會在電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)包(bao)內加保護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)，用(yong)(yong)(yong)(yong)以提高鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)使用(yong)(yong)(yong)(yong)壽命。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)組(zu)所(suo)用(yong)(yong)(yong)(yong)的(de)保護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)大(da)多都由分立原件(jian)構(gou)成，存在控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)精度不夠(gou)高、技(ji)術指標低、不能(neng)有(you)效保護鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組(zu)等特點(dian)(dian)，本文中(zhong)提出(chu)一(yi)(yi)種基于單片(pian)機的(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)組(zu)（由10節3. 6 V鋰(li)(li)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)串聯而成）保護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)設計方案(an)，利用(yong)(yong)(yong)(yong)高性能(neng)、低功耗的(de)ATmega16L 單片(pian)機作為(wei)檢(jian)測和(he)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)核心(xin)，用(yong)(yong)(yong)(yong)由MC34063構(gou)成的(de)DC /DC變換控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)為(wei)整(zheng)個(ge)(ge)保護電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)路(lu)提供(gong)穩壓(ya)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，輔(fu)以LM60 測溫、MOS管IRF530N作充放(fang)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)開關，實(shi)現(xian)對整(zheng)個(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)組(zu)和(he)單個(ge)(ge)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)狀態監控(kong)(kong)和(he)保護功能(neng)，達(da)到延長電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池(chi)使用(yong)(yong)(yong)(yong)壽命的(de)目的(de)。

1 保護電路硬件設計

本系統以單(dan)片機為(wei)數據處理和(he)控制的核心，將任務設計分解為(wei)電壓測量、電流測量、溫度測量、開關(guan)控制、電源、均衡充電等功能(neng)模塊。系統的總體框(kuang)圖(tu)如圖(tu)1所示。

圖1 系統的總體框圖

電池組電壓(ya)、電流(liu)、溫度等信息通過電壓(ya)采樣、電流(liu)采樣和溫度測量電路，加到(dao)信號采集(ji)部分(fen)的(de)A /D輸入端。 A /D模塊將輸入的(de)模擬(ni)信號轉換為數字信號，并傳輸給(gei)單(dan)片機(ji)。單(dan)片機(ji)作為數據處(chu)理和控(kong)(kong)制的(de)核心，一(yi)方(fang)(fang)面實時監控(kong)(kong)電池組的(de)各項性(xing)能(neng)(neng)指標(biao)和狀態，一(yi)方(fang)(fang)面根據這(zhe)些狀態參數控(kong)(kong)制驅動大功率開關。由于(yu)使用(yong)了單(dan)片機(ji)，使系(xi)統(tong)具有很大的(de)靈活性(xing)，便(bian)于(yu)實現各種復雜控(kong)(kong)制，從而能(neng)(neng)方(fang)(fang)便(bian)地對系(xi)統(tong)進(jin)行(xing)功能(neng)(neng)擴展(zhan)和性(xing)能(neng)(neng)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)機的外圍電路設計(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(tu)3 穩壓電源模塊(kuai)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)壓(ya)電(dian)(dian)流檢(jian)測(ce)(ce)電(dian)(dian)路的(de)設(she)計如圖(tu)4 所示。運算放大(da)器(qi)(qi)LM358的(de)5, 6引腳(jiao)(jiao)所接的(de)BB,AA為待(dai)測(ce)(ce)的(de)充(chong)(chong)電(dian)(dian)、放電(dian)(dian)電(dian)(dian)壓(ya)，經過(guo)(guo)放大(da)后由(you)(you)7腳(jiao)(jiao)輸(shu)出(chu)(chu)至(zhi)單(dan)(dan)片機進行檢(jian)測(ce)(ce)，當檢(jian)測(ce)(ce)到待(dai)測(ce)(ce)電(dian)(dian)壓(ya)達到過(guo)(guo)充(chong)(chong)、過(guo)(guo)放保護電(dian)(dian)壓(ya)時，由(you)(you)單(dan)(dan)片機控制斷開充(chong)(chong)放電(dian)(dian)回(hui)路。電(dian)(dian)流檢(jian)測(ce)(ce)通過(guo)(guo)霍(huo)爾傳(chuan)感器(qi)(qi)完成，如圖(tu)4所示，將從(cong)UGN -3501M1, 8引腳(jiao)(jiao)輸(shu)出(chu)(chu)的(de)霍(huo)爾電(dian)(dian)壓(ya)uH 接至(zhi)LM358的(de)3, 4引腳(jiao)(jiao)，經過(guo)(guo)放大(da)后從(cong)1 腳(jiao)(jiao)輸(shu)出(chu)(chu)ADC3 至(zhi)單(dan)(dan)片機，進行過(guo)(guo)電(dian)(dian)流保護。 UGN - 3501M 的(de)5, 6, 7引腳(jiao)(jiao)連接調整電(dian)(dian)位器(qi)(qi)，用以補償不等位電(dian)(dian)勢，同時改善線性(xing)。調整5, 6引腳(jiao)(jiao)外接電(dian)(dian)阻(zu)R16,可使輸(shu)出(chu)(chu)霍(huo)爾電(dian)(dian)壓(ya)uH 與磁場強度有(you)較好的(de)線性(xing)關系。

圖4 電壓(ya)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(ji)于(yu)LM60的(de)溫(wen)度檢測(ce)電(dian)(dian)(dian)路(lu)如圖(tu)5所示。由(you)穩壓部分輸出的(de)3. 3 V 電(dian)(dian)(dian)源為此電(dian)(dian)(dian)路(lu)供電(dian)(dian)(dian)，經過溫(wen)度傳感器將探測(ce)點(dian)的(de)溫(wen)度轉(zhuan)化為電(dian)(dian)(dian)壓值通過ADC0,ADC1輸出，再將ADC0, ADC1送入(ru)單片(pian)機進行(xing)檢測(ce)，當電(dian)(dian)(dian)壓值達到溫(wen)控要(yao)求時，單片(pian)機控制開關通斷(duan)。

圖5 溫度檢(jian)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(tong)軟件(jian)采用C語(yu)言編(bian)寫，處理程序(xu)采用模(mo)塊化編(bian)程，程序(xu)運行的環境(jing)是ICCAVR 開(kai)發系統(tong)。

在電(dian)(dian)(dian)池組(zu)空載的時候(hou)，系統進入(ru)掉(diao)電(dian)(dian)(dian)模式，以(yi)使功耗(hao)(hao)降至最低；當電(dian)(dian)(dian)池組(zu)接入(ru)負載或對電(dian)(dian)(dian)池組(zu)充(chong)電(dian)(dian)(dian)時，單片機被(bei)激活，由低功耗(hao)(hao)掉(diao)電(dian)(dian)(dian)模式轉入(ru)正常工(gong)作模式，并持續(xu)運作。整個程序的流程如圖(tu)6所示。

圖6 程(cheng)(cheng)序流程(cheng)(cheng)

根據本系統的(de)模(mo)塊分布(bu)，單(dan)片機程(cheng)序(xu)分為電壓測(ce)量(liang)模(mo)塊、電流測(ce)量(liang)模(mo)塊和(he)溫(wen)度測(ce)量(liang)模(mo)塊，每一模(mo)塊調用共(gong)同A /D轉換函數(shu)和(he)延時判斷函數(shu)等，以縮短代(dai)碼長(chang)度和(he)增(zeng)強程(cheng)序(xu)代(dai)碼的(de)可讀性。下面給出程(cheng)序(xu)主函數(shu)的(de)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

通過實驗，本(ben)保護(hu)電路系(xi)統(tong)實現了全部基本(ben)功能。與(yu)傳統(tong)采用分離(li)元件的電池保護(hu)系(xi)統(tong)相比，本(ben)文中提(ti)出基于單片機的電池保護(hu)電路系(xi)統(tong)具有(you)系(xi)統(tong)體積小(xiao)、功能多、功耗低、成本(ben)低等特(te)點(dian)，可用于工業生產。

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