鋰離子電池組監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) — 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　3.3.3電流采集電路

　　電流采集對(duì)于判斷是否需要短路保護(hù)是非常重要的一個(gè)參數(shù)。因此，我們需要實(shí)現(xiàn)對(duì)電流精確測(cè)量。

　　在這里，我們選用MAX4081作為檢測(cè)芯片。該芯片輸入電壓范圍4.5V至76V，非常適合于需要嚴(yán)密監(jiān)視高壓電流的系統(tǒng)[41]，因此可以直接用電池組的最高電壓作為其供電電源。另外，芯片的參考電壓由系統(tǒng)提供，參考電壓值為1.5V.該芯片的引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-和RS+三個(gè)引腳的電壓狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當(dāng)RS-端電壓低于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。

　　本電路的設(shè)計(jì)思路是首先在電池正極和保護(hù)器電路板之間串接一個(gè)分流器，RS-和RS+引腳分別接分流器兩端電壓。當(dāng)回路沒有電流時(shí)，OUT引腳輸出電壓為參考電壓;電池放電時(shí)，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓，最低可輸出0V;對(duì)電池充電時(shí)，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。檢測(cè)電路如圖3.22所示。

　　3.3.4溫度采集電路溫度檢測(cè)確保了安全充電步驟的執(zhí)行。由于本系統(tǒng)對(duì)溫度信號(hào)的精度要求不高，因此系統(tǒng)采用100K的熱敏電阻和1%精度的電阻分壓進(jìn)行溫度檢測(cè)，共設(shè)計(jì)了四路溫度采集電路，每路的電壓信號(hào)直接進(jìn)入單片機(jī)的AD通道進(jìn)行轉(zhuǎn)換。溫度采集電路如圖3.23所示。

　　3.4均衡及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　3.4.1保護(hù)電路設(shè)計(jì)

　　在第一章里我們就已經(jīng)介紹過(guò)了，鋰離子電池在使用過(guò)程中，如果出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放或者短路的情況，會(huì)對(duì)鋰離子電池的容量和壽命產(chǎn)生很嚴(yán)重的影響，甚至?xí)a(chǎn)生安全問題。因此，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)中最重要的一環(huán)。

　　電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)在使用中主要依據(jù)單體電池的電壓、電流值和電池組的溫度值進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果看是否啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)。其保護(hù)電路應(yīng)當(dāng)具備以下幾個(gè)功能：

　?、胚^(guò)充保護(hù)：鋰電池在充電過(guò)程中如果充電電壓超過(guò)4.2V，會(huì)對(duì)電池造成損害。

　　⑵過(guò)放保護(hù)：鋰電池在放電過(guò)程中如果充電電壓低于2.7V，會(huì)對(duì)電池造成損害。

　?、嵌搪繁Ｗo(hù)：用來(lái)保證電池在移動(dòng)時(shí)的安全以及電池組的正常工作。

　　⑷過(guò)溫保護(hù)：由于本系統(tǒng)采用能量消耗型均衡法，因此系統(tǒng)電路板和電池組溫度會(huì)較高，需要過(guò)溫保護(hù)。

　　鋰電池組保護(hù)電路主要由短路保護(hù)信號(hào)檢測(cè)電路、中斷控制信號(hào)判斷電路、充放電驅(qū)動(dòng)控制電路等組成。

　?、倍搪繁Ｗo(hù)電路

　　電池組在移動(dòng)和放電時(shí)，需要進(jìn)行短路保護(hù)。短路保護(hù)電路主要由負(fù)載端電壓取樣電路、比較電路和1V的基準(zhǔn)電壓電路組成，其實(shí)質(zhì)是由外部中斷通知單片機(jī)電池組需要進(jìn)行短路保護(hù)，單片機(jī)在中斷程序中啟動(dòng)短路保護(hù)，切斷主回路。

　　1V的基準(zhǔn)電壓電路在前面已經(jīng)作了介紹。在這里，首先介紹一下負(fù)載端電壓取樣電路。電池在放電時(shí)，放電電流在經(jīng)過(guò)串聯(lián)的MOSFET管時(shí)，由于MOSFET管的導(dǎo)通阻抗，會(huì)在其兩端產(chǎn)生一個(gè)電壓，這時(shí)負(fù)載的負(fù)端P-應(yīng)該電壓很低。當(dāng)電池組或負(fù)載出現(xiàn)異常使回路電流增大到一定值時(shí)，P-端的電壓將會(huì)迅速上升，因此二極管D4將會(huì)導(dǎo)通，通過(guò)電阻分壓得到一定電壓，該電壓信號(hào)與1V的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較得到一個(gè)脈沖信號(hào)作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。短路保護(hù)電路如圖3.24所示。

　?、策^(guò)充/過(guò)放電保護(hù)控制電路

　　除了短路保護(hù)外，電池組監(jiān)控管理系統(tǒng)中還需有過(guò)充、過(guò)放保護(hù)電路。鋰電池組的充電方式選用的是恒流轉(zhuǎn)恒壓的方式，當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象時(shí)可以及時(shí)的切斷充放電回路。

　　過(guò)充保護(hù)控制的基本思路是：當(dāng)通過(guò)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到電池電壓達(dá)到4.25V±0.05V時(shí)，MCU的控制信號(hào)CHARGE輸出低電平使三極管Q18截止，使充電回路關(guān)斷，起到過(guò)充電保護(hù)作用;相反，當(dāng)電池電壓低于4.0V時(shí)，控制信號(hào)CHARGE輸出高電平使三極管Q18導(dǎo)通，使充電回路導(dǎo)通。其保護(hù)電路圖如圖3.25所示，其中P+為充電時(shí)充電機(jī)輸出的正極。

　　過(guò)放保護(hù)控制的基本思路是：在電池放電過(guò)程中，當(dāng)通過(guò)電壓檢測(cè)電路檢測(cè)到電池電壓達(dá)到2.7V±0.08V時(shí)，MCU的控制信號(hào)DISCHG輸出低電平使三極管Q17截止，使放電回路關(guān)斷，起到過(guò)放電保護(hù)作用;相反，當(dāng)電池電壓高于2.9V時(shí)，控制信號(hào)CHARGE輸出高電平使三極管Q17導(dǎo)通，使放電回路導(dǎo)通。其保護(hù)電路圖如圖3.25所示，其中B+為放電時(shí)電池組輸出的正極。但是需要注意的是，在前面介紹了系統(tǒng)電源是從電池組最大電壓轉(zhuǎn)換而來(lái)的。當(dāng)電池處于過(guò)放情況下，不可能再對(duì)系統(tǒng)提供大電流。因此要求過(guò)放保護(hù)電路處于低功耗狀態(tài)，整個(gè)保護(hù)電路耗電會(huì)小于0.1uA.

　　3.4.2均衡電路設(shè)計(jì)

　　在前面我們已經(jīng)介紹過(guò)了，鋰離子電池在串聯(lián)使用時(shí)，對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電中，單體鋰離子電池之間會(huì)出現(xiàn)不均衡的問題，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)導(dǎo)致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢(shì)必會(huì)影響鋰離子電池的使用壽命。為了保證電池組中各單體電池的一致性，我們需要設(shè)計(jì)均衡保護(hù)電路。

　　本系統(tǒng)采用的是能量損耗型均衡方法。判斷方法是當(dāng)電池組中某節(jié)電池單體電壓超過(guò)電池組平均電壓值0.2V時(shí)，我們認(rèn)為電池組處于不均衡狀態(tài)，應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)均衡保護(hù)，打開旁路開關(guān)，通過(guò)分流電阻釋放能量。

　　均衡電路是保證串聯(lián)各電池電壓一致性的根本，從而也關(guān)系到電池使用壽命的長(zhǎng)短。在充電狀態(tài)下，若檢測(cè)到某節(jié)電壓高于電池組平均單節(jié)電壓時(shí)，由單片機(jī)I/O口輸出高電平，從而使驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通，相應(yīng)節(jié)電池正極的電壓將對(duì)地形成回路，并在兩只電阻上形成分壓，從而使得均衡電路的PMOS開關(guān)導(dǎo)通，并在功率電阻上形成分流，系統(tǒng)采用12歐姆/5瓦的功率電阻，因此均衡電流可達(dá)300mA左右，同時(shí)和功率電阻并聯(lián)的LED指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，說(shuō)明該節(jié)電池處于被均衡的狀態(tài)。每節(jié)電池的均衡電路都是按照如圖3.26所示的電路并聯(lián)在電池正負(fù)極之間的。

　　3.5串行通信電路

　　串行通信電路用來(lái)與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)上傳。芯片MAX232的電源通過(guò)跳線來(lái)確定是否供電，因此在不需要與上位機(jī)通信時(shí)，可將其電源斷開，從而降低系統(tǒng)功耗。如圖3.27所示。

　　3.6小結(jié)

　　在本章中，我們根據(jù)系統(tǒng)要求，首先提出了對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)控管理的總體方案。然后根據(jù)系統(tǒng)的性能和功能要求，完成了對(duì)單片機(jī)的選型以及信號(hào)采集電路和保護(hù)電路的方案選擇。最后根據(jù)電路設(shè)計(jì)方案分別對(duì)各個(gè)電路進(jìn)行了詳細(xì)的分析和闡述。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，為軟件設(shè)計(jì)搭建了平臺(tái)。

　　該系統(tǒng)的硬件電路已經(jīng)完成了PCB板的制作。繪制硬件電路的過(guò)程是一個(gè)學(xué)習(xí)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，我們需要充分考慮各方面的因素，例如電源與地、模擬與數(shù)字以及電路的抗干擾能力等。任何一個(gè)因素都可能會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響，需要不斷優(yōu)化布局布線。另外，該硬件電路除了應(yīng)當(dāng)能滿足系統(tǒng)的功能要求外，還需要有一定的擴(kuò)展能力，這些都是在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要解決的問題。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中還出現(xiàn)了單片機(jī)不能正常工作的情況，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)是由于晶振的設(shè)置不對(duì)。總之，在硬件設(shè)計(jì)的過(guò)程中， 可以學(xué)到了很多知識(shí)，將理論與實(shí)踐逐漸結(jié)合起來(lái)，為今后的硬件開發(fā)打下了基礎(chǔ)。