鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實現(xiàn) ― 系統(tǒng)硬件設(shè)計
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目前，鋰離子蓄電池組作為一種新能源，與傳統(tǒng)的以鎳隔，鎳氫電池為儲能核心的電源系統(tǒng)相比，存在以下問題：
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/201808/387860.htm⑴串聯(lián)電池組由于各單體之間容量的差異引起的充電放電過程的不均衡。
⑵由于過充電，過放電，過電流或高溫而引起的電池失效問題。
針對以上兩個問題，提出以下設(shè)計目標：
⑴對鋰離子電池組，實現(xiàn)充放電時電池之間的均衡，做到各單體電池之間電壓與其平均電壓的差不超過0.2V，實現(xiàn)充放電時對電池的保護。
⑵設(shè)計充放電控制電路，實現(xiàn)對鋰離子電池組過充、過放以及短路保護。
3.1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)
根據(jù)以上設(shè)計目標，系統(tǒng)總體方案框圖如圖3.1所示。本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F233為控制核心，包括電壓、電流和溫度采樣電路、鋰電池組的過充、過放、短路保護電路和均衡電路、串口通信電路以及相關(guān)外圍電路等。
鋰電池組在充放電的過程中，系統(tǒng)的信號檢測電路實時地對電壓、溫度、電流等參數(shù)進行采集，同時采樣到的信號送入AD轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入處理器，處理器讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果后，將轉(zhuǎn)換結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的參數(shù)值進行比較，判斷是否出現(xiàn)過壓、過放或短路現(xiàn)象，以決定是否啟動相應(yīng)的保護措施。同時，根據(jù)需要，單片機可實時上傳采集到的電壓、電流、溫度等參數(shù)給上位機，由上
位機處理后進行顯示和存儲。另外，上位機系統(tǒng)還可通過串口給單片機系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)和數(shù)據(jù)校正參數(shù)。
3.2單片機系統(tǒng)
單片機最小系統(tǒng)設(shè)計電路如圖3.2所示，主要有電源電路、復(fù)位電路、外部振蕩電路、均衡控制信號輸出、充放電控制信號輸出、短路保護中斷輸入、電壓檢測輸入、電流檢測輸入、溫度檢測輸入、多路模擬開關(guān)控制信號輸出、指示和報警信號輸出等。
3.2.1 MCU的選擇
MCU是整個保護器系統(tǒng)的核心，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，MCU的選擇必須具有強大的功能：低功耗、內(nèi)部集成多路A/D轉(zhuǎn)換器、支持SPI通信以及具有E 2 PROM等功能。TI公司的MSP430單片機以低功耗著稱，其中MSP430F233芯片具有工作電壓低、功耗低的特點，工作電壓在1.8V～3.6V范圍內(nèi)，當(dāng)該芯片以2.2V的電壓正常工作時，其工作電流可以低到270uA，待機狀態(tài)電流低至0.3uA，關(guān)斷模式電流低至0.1uA.該芯片內(nèi)部還包含了8路12位AD轉(zhuǎn)換器，可以實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)同時采集。除此之外，該芯片還包含一些外圍接口，如UART串行口和SPI、IIC接口;JTAG下載調(diào)試接口等。其基準時鐘可設(shè)在32KHz~16MHz的范圍;2個16位的具有捕獲/比較功能的定時器。MSP430F233的功能方框圖如圖3.3所示。
MSP430x2xx系列的主要特性如下：
⑴超低功耗延長了電池的使用壽命
⑵保持RAM0.1uA
⑶實時時鐘模式0.8uA
⑷MIPS運行250uA
⑸理想精確的模擬信號測量
⑹門控比較定時器測量電阻類元件
⑺16位的精簡指令集的CPU全新應(yīng)用
⑻更大的寄存器空間消除了運行空間的瓶頸
⑼緊湊的核結(jié)構(gòu)設(shè)計減少了功耗、降低了成本
⑽使用高水平的編程更優(yōu)化
⑾27條核心指令和7種尋址方式
⑿強大的矢量中斷能力
3.2.2系統(tǒng)電源電路
系統(tǒng)需要從鋰電池組中取電。對于小型的電池組，可以從電池組中間取電。
但是對于大中型電池組，如果從中間取電的話，勢必會由于各單體電池的差異導(dǎo)致整個電池組的不均衡，使電池組的放電能力下降。因此，我們使用鋰電池組對系統(tǒng)進行供電時，一般情況下盡量不從電池組中間取電，需要對電池組最大電壓進行變換，使其變成適合系統(tǒng)工作的電源電壓。
本系統(tǒng)的工作電壓有兩種：5V和3.6V.其中5V的電源需要從鋰電池組的最大電壓變換得到，本系統(tǒng)所監(jiān)控管理的電池組最大數(shù)量為16節(jié)，鋰電池的最高電壓為4.2V，因此該電池組的最大電壓可以達到67.2V，當(dāng)電池組中電池數(shù)目較少時，電池組最大電壓則可能降到10V左右。因此，我們需要選用電壓工作范圍在10V~67.2V之間的降壓芯片。而MAX5033B作為一種高效、高壓、降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，其電壓工作范圍可達7.5V~76V，另外，我們可以通過設(shè)定使其輸出固定在5V，滿足了系統(tǒng)的要求。因此，我們選用MAX5033B作為降壓DC-DC電路的主芯片。
MAX5033B除了電壓工作范圍滿足要求外，還具有功耗低、工作效率高和工作溫度范圍廣的優(yōu)點。其空載時僅消耗350uA的靜態(tài)電流，轉(zhuǎn)換效率可高達94%，，輸出電流可到500mA，工作溫度范圍-40℃~125℃，非常適合本系統(tǒng)。該芯片共有8個引腳，其芯片圖如圖3.4所示。
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