單片機設計的動力電池管理系統(tǒng)硬件技術(shù)

電動汽車是指全部或部分由電機驅(qū)動的汽車。目前主要有純電動汽車、混合電動車和燃料電池汽車3種類型。電動汽車目前常用的動力來自于鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。

鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當前比能量最高的電池。但正是因為鋰電池的能量密度比較高，當發(fā)生誤用或濫用時，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。本文所設計的就是一種基于單片機的電池管理系統(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。該系列所有的MCU均采用增強型M68HC08中央處理器(CP08)。該單片機具有以下特性：

(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行介紹。

1.2.1 電壓檢測模塊

本系統(tǒng)中，單片機將對電池組的整體電壓和單節(jié)電壓進行檢測。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，過程比較復雜。所以采用分壓的電路進行檢測。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，所對應的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為409和*。

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中，單片機輸出驅(qū)動信號，控制MOS管的導通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。



如圖1所示，為電池組后4節(jié)的保護電路圖，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中，單片機輸出驅(qū)動信號，控制MOS管的導通和關(guān)斷，從而對電池組的充電放電起到保護作用。

以上6節(jié)電池可以用2個三通道開關(guān)切換陣列來實現(xiàn)。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開關(guān)，通過選址實現(xiàn)通道的選擇。開關(guān)S5、S6、S7負責將電池的正極連接至飛電容的正極。開關(guān)S2、S3、S4負責將電池負極連接至飛電容的負極。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，單片機發(fā)出通道選址信號，讓其中1路電池的正負極與電容連接，對電容進行充電，然后斷開通道開關(guān)，接通跟隨放大器的開關(guān)，單片機對電容的電壓進行快速檢測，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、過放或保護系統(tǒng)到電池的檢測線斷路，單片機將馬上發(fā)出信號切斷主回路MOS管。重復上述過程，單片機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)是電池過流保護的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當電池放電時，用康銅絲對電流信號進行檢測，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。如果放電的電流過大，單片機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，設定其保護電流是60 A?？点~絲的電阻是5 mΩ左右。當電流達到60 A時，康銅絲的電壓達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行實時監(jiān)測并進行散熱處理。

采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來表示：



1.3 均衡模塊

電池組常用的均衡方法有分流法、飛速電容均衡充電法、電感能量傳遞方法等。在本系統(tǒng)中，需要較多的I/O口驅(qū)動開關(guān)管，而單片機的I/O口有限，所以采取整充轉(zhuǎn)單充的充電均衡方法。原理圖如圖3所示。Q4是控制電池組整充的開關(guān)，Q2、Q3、Q5是控制單節(jié)電池充電的開關(guān)。以10節(jié)錳酸鋰電池組為例，變壓器主線圈兩端電壓為42 V，副線圈電壓為電池的額定電壓4.2 V。剛開始Q4導通，Q2、Q3、Q5截止，單節(jié)電池的電壓不斷升高，當檢測到某一節(jié)電池的電壓達到額定電壓4.2 V以后，電壓檢測芯片發(fā)出驅(qū)動信號，關(guān)閉Q4，打開Q2、Q3、Q5，整個系統(tǒng)進入單充階段，未充滿的電池繼續(xù)充電，以達到額定電壓的電池保持額定電壓不變。經(jīng)測試，電壓差值不會超過50 mV。



2 SOC電量檢測

在鋰離子電池管理系統(tǒng)中，常用的SOC計算方法有開路電壓法、庫倫計算法、阻抗測量法、綜合查表法[3]。

(1)開路電壓法是最簡單的測量方法，主要根據(jù)電池開路電壓的大小判斷SOC的大小。由電池的工作特性可知，電池的開路電壓與電池的剩余容量存在著一定的對應關(guān)系。

(2)庫侖計算法是通過測量電池的充電和放電電流，將電流值與時間值的乘積進行積分后計算得到電池充進的電量和放出的電量，并以此來估計SOC的值。

(3)阻抗測量法是利用電池的內(nèi)阻和荷電狀態(tài)SOC之間一定的線性關(guān)系，通過測出電池的電壓、電流參數(shù)計算出電池的內(nèi)阻，從而得到SOC的估計值。

(4)綜合查表法中電池的剩余容量SOC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)是密切相關(guān)的。通過設置一個相關(guān)表，輸入電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以查詢得到電池的剩余容量值。

在本設計中，從電路的集成度、成本、所選MCU的性能方面考慮，采用了軟件編程的方法。綜合幾種方法，采用庫倫計算法比較合適。

(1)用C表示鋰電池組從42 V降到32 V時放出的總的電量。

(2)用η表示電流i經(jīng)過時間t后，放出的電量與C的比值。



其中CRM為剩余電量。令ΔCi=i×Δt，表示?駐t時間內(nèi)電池組以i放電的放電量；或者是以i充電的充電量，剩余電量實際上是對ΔCi的計算以及累加。設定合適的采樣時間Δt，測定當前的電流值，然后計算乘積，得到Δt時間內(nèi)剩余容量CRM的變化量，從而不斷更新CRM的值，即可實現(xiàn)SOC電量的檢測。

3 試驗結(jié)果

通過電池管理系統(tǒng)對錳酸鋰電池組進行充放電測試。圖4(a)為鋰電池組放電測試圖，放電電流為8 A，當電池組電壓降至32 V時，放電MOS管關(guān)斷。圖4(b)為充電的測試圖。充電結(jié)束4小時后，均衡完成。



本文的電池管理系統(tǒng)以M68HC08GZ16為核心，實現(xiàn)了對電池組單體電壓、電流、溫度信號的采集。充電電量平衡以后，單體電池的電壓差值不超過50 mV。整體系統(tǒng)運行性能良好，能夠滿足電動車動力電池組應用需要。