王保柱，王 倩，陳書旺，安勝彪

(河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

近年來，節(jié)能和環(huán)保問題變的日益突出，鋰離子電池由于其具有能量密度高、自放電率小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點迅速成為市場的主流產(chǎn)品，它的工作電壓每節(jié)高達3.2～4.2 V[1]。如果充電后使得單體電池的電壓超過一定值就會使電池內(nèi)的電解質(zhì)被分解，嚴重時引起爆炸，所以其操作的安全性和可靠性需要有效控制。對電池管理系統(tǒng)的管理是有效措施之一，該電池管理系統(tǒng)的職能就是實時監(jiān)測電池組的電壓、電流、溫度等，防止過充過放現(xiàn)象的發(fā)生，保證電池組自身的安全性[2-4]。

1 系統(tǒng)基本功能介紹

MAX11068芯片和單片機之間通過I2C通信，MAX11068將采集到的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)部寄存器里面[5]。單片機通過總線訪問相應(yīng)的寄存器讀取數(shù)據(jù)，然后對相應(yīng)的數(shù)據(jù)作進一步處理。系統(tǒng)最大能夠同時檢測12節(jié)串聯(lián)電池組的電壓，對于少于12節(jié)電池的電池組，經(jīng)過簡單處理也可以采用系統(tǒng)介紹的方法來保護電池組。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能包括：過充保護、過放保護、溫度保護、電池的均衡功能[6]。可以通過串口芯片將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，通過上位機軟件實時查看電池的電壓狀態(tài)，方便管理和維護。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的電路示意圖如圖1所示，MAX11068是電壓采集模塊,系統(tǒng)的MCU起到管理和控制整個系統(tǒng)的關(guān)鍵作用。NTC是負溫度系數(shù)傳感器，CHARGE為充電口，DISCHARGE為放電口。由單片機的I/O接口間接驅(qū)動，放電口和充電口是相互獨立、分開的。系統(tǒng)按模塊可以分為電壓采集和均衡模塊，溫度采集模塊，電流采集模塊及MCU。

圖1 系統(tǒng)示意圖Fig.1 System diagram

2.1 電壓采集和均衡模塊

實現(xiàn)精準的單體電壓測量是整個電池管理系統(tǒng)的核心，為均衡功能的實現(xiàn)提供良好的基礎(chǔ)。電壓采集模塊以MAX11068為核心，配以外圍器件[7]。由于芯片可以采用級聯(lián)的方式對電池進行檢測，所以在沒有級聯(lián)的情況下對一些引腳做一些特殊處理,電壓的采集模塊電路圖如圖2所示。

圖2 電壓采集的模塊和均衡模塊Fig.2 Voltage acquisition module and equalization module

1)電壓采集原理 MAX11068模擬前端由12路電壓測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，帶有高壓開關(guān)輸入單元。在低于107 μs的時間內(nèi)可以完成12節(jié)電池的測量。MAX11068采用二次掃描架構(gòu)采集電池數(shù)據(jù)并對它們進行誤差修正。掃描的第1階段為數(shù)據(jù)采集，對所有12節(jié)電池的電壓進行采樣；第2階段為誤差修正，對ADC輸入進行斬波，消除誤差。

2)電池均衡原理 動力鋰離子電池一般由幾串、幾十串甚至幾百串組成。電池在生產(chǎn)過程中，由于工藝問題和材質(zhì)的不均勻使電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致，使得每組電池的電壓、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)不一致，就會產(chǎn)生這樣或那樣的差異[8-9]。由于個體差異的存在，導(dǎo)致電池充電時容量小的容易過充，放電時容量小的又容易過放，容量變得更小,從而進入惡性循環(huán)。因此要求保護電路能夠完成電池單元的均衡操作。均衡的原理是從具有較高電壓的電池抽取多余的電流，消耗多余的電量，實現(xiàn)電池均衡，延長電池組的使用壽命，增加安全性。目前常用的均衡方法有儲能均衡和電阻均衡2種[10]。

電阻均衡一般是通過控制器控制電阻網(wǎng)絡(luò)的通斷對電池組進行分流均衡，這種方法可以同時對多節(jié)電池進行均衡，控制簡單。系統(tǒng)對熱管理要求較高，需要進行溫度檢測。電阻均衡的原理是在電池組充電的過程中，當(dāng)某節(jié)電池充電速度較快，其電壓高于其他電池，系統(tǒng)通過開關(guān)或者繼電器控制均衡電阻的導(dǎo)通分流，降低電池的充電速度，使得各節(jié)電池在充電過程中均衡一致。

該系統(tǒng)采用的電阻均衡方法原理圖如圖3所示。

當(dāng)MAX11068檢測到某一節(jié)電池的電壓到達一定值時，芯片開啟內(nèi)部該節(jié)電池的NMOS管，NMOS管開啟以后，該節(jié)電池電流經(jīng)由R1，R3回到電池的負極。R1，R3通過熱耗從而降低電池的電壓，均衡電流為55 mA。

2.2 電流、溫度采集模塊

電流采集模塊采用2個電阻并聯(lián)，并聯(lián)的電阻串聯(lián)在放電回路中。檢測采樣電阻兩端的電壓，經(jīng)放大器放大后，和基準電壓進行比較，判斷是否過流和短路，電壓放大電路原理圖如圖4所示。

圖3 均衡電路原理圖Fig.3 Equalization circuit

圖4 采集電流信號放大電路Fig.4 Harvesting current and signal amplifying circuit

放大器采用的型號是MCP4041，運算放大器的放大系數(shù)為2.7。保護板的過流保護值是80 A，短路保護電流是180 A。過流保護時，采用電阻兩端電壓是0.4 V，經(jīng)放大器放大后的電壓是1.08 V；短路保護電阻兩端的電壓是0.9 V，經(jīng)放大器放大后的電壓是2.43 V，比較器的電路原理圖如圖5所示。

圖5 比較器電路Fig.5 Comparison circuit

圖6 溫度檢測電路Fig.6 Temperature detection circuit

經(jīng)過放大后的信號輸入比較器，這里比較器采用的是TLV3492，比較器供電電壓是3.4 V。若過流電壓大于基準電壓，則在比較器的輸出端輸出高電平，單片機檢測到高電平就采取過流保護措施。若過流電壓大于2.33 V，則比較器的輸出端輸出高電平，單片機檢測到高電平時，就會采取短路保護措施。

在充放電過程中使電池溫度升高，但是過高的溫度會引起電池的惡化、縮短電池的使用壽命，從而容量會慢慢變小。因此要將電池的溫度控制在合適的范圍內(nèi)。溫度檢測采用MF58105H 負溫度系數(shù)傳感器，單片機直接采集熱敏電阻兩端的電壓，到達設(shè)定值時，采取溫度保護措施，溫度檢測電路如圖6所示。

2.3 電池組信息的處理與顯示

單片機和檢測芯片是通過I2C協(xié)議進行通信[11-13]，I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。I2C總線只有2根雙向信號線。一根是數(shù)據(jù)線SDA，另一根是時鐘線SCL。每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址，主機與其他器件間的數(shù)據(jù)傳送可以是由主機發(fā)送數(shù)據(jù)到其他器件，這時主機即為發(fā)送器，由總線上接收數(shù)據(jù)的器件則為接收器。

上位機軟件用VB語言編寫[14-16]，對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和顯示，使人們能夠直觀地看到MAX11068采集到的數(shù)據(jù)，同時能通過上位機軟件方便地處理一些數(shù)據(jù)。通過上位機也可以給系統(tǒng)發(fā)送一些簡單的控制命令，在系統(tǒng)的調(diào)試過程中有很好的效果和作用。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件功能分為初始化部分、數(shù)據(jù)處理和控制部分，初始化的部分包括單片機應(yīng)用外圍模塊的初始化，例如系統(tǒng)時鐘初始化，AD采樣端口初始化。數(shù)據(jù)處理和控制部分通過單片機來完成的各種數(shù)據(jù)的處理。系統(tǒng)采用順序輪回的方法，根據(jù)系統(tǒng)采樣頻率，順序執(zhí)行每一部分對每個系統(tǒng)的功能進行檢測，處理相應(yīng)問題。對每一節(jié)電池是否過充、是否過放進行判斷有無報警信號的產(chǎn)生。當(dāng)單片機所采集到的單體電壓值到達均衡電壓點時，開啟均衡寄存器對應(yīng)的開關(guān)，系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)流程圖Fig.7 System flow chart

4 實驗結(jié)果

實驗時采用的是10節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，以上述理論為基礎(chǔ)，完成鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計，并進行實驗驗證。

本研究所設(shè)計的鋰離子電池管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對電池組的電壓、電流、溫度等信息的實時監(jiān)測(見表1、表2)，單體電壓誤差小于10 mV。該設(shè)計系統(tǒng)保持了整個電池組運行的可靠性和高效性，實驗證明該系統(tǒng)的設(shè)計是可行的。

表1 單體電池電壓采集Tab.1 Single battery voltage acquisition序號電壓/V014.051024.050034.052044.065054.069序號電壓/V064.067074.070084.064094.067104.055表2 鋰離子電池管理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter setting of lithium battery management system參數(shù)數(shù)值切斷電壓上下限/V4.25～2.50切斷電流上下限/A40～80切斷溫度上下限/℃50～80均衡啟動電壓/V4.1單體電壓壓差告警/mV20

5 結(jié) 語

基于MAX11068芯片的鋰離子電池管理系統(tǒng)的設(shè)計滿足了鋰離子電池保護的需要，過電壓、過電流和溫度保護的應(yīng)用以及均衡模塊的實現(xiàn)讓鋰離子電池動力汽車在實際的運行中更加安全可靠。系統(tǒng)測試表明該系統(tǒng)運行良好，具有可靠性高的特點。鋰離子電池均衡算法的優(yōu)化在一定程度上延長了電池組的使用壽命，但是均衡模塊對單體電池的能量轉(zhuǎn)移效率還有待提高。

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