摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于TMS320C2812DSP的動(dòng)力鋰電池組檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組的單體電壓、電流和溫度的檢測(cè)及顯示。對(duì)電壓、電流和溫度的采集電路進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)并進(jìn)行詳細(xì)的介紹。運(yùn)算放大器采用ADI公司的AD708JNZ，電流互感器采用LEM公司的LA55?P/SP50。最后給出了檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有精度高、硬件電路簡(jiǎn)單、處理速度較快等特點(diǎn)，可以運(yùn)用在電動(dòng)車及混合動(dòng)力系統(tǒng)的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞： 鋰電池； 電池檢測(cè)； DSP； 電壓/電流/溫度采集電路

中圖分類號(hào)： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）02?0144?05

0 引 言

環(huán)境污染、能源危機(jī)已經(jīng)成為制約世界發(fā)展的重要因素。鋰電池憑借其高能量比、高放電率的優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有發(fā)展?jié)摿Φ膭?dòng)力電池。電池檢測(cè)系統(tǒng)是動(dòng)力系統(tǒng)中非常關(guān)鍵部件，是電池和整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的聯(lián)接紐帶。為了使電池組穩(wěn)定、高效、安全工作在最佳狀態(tài)，消除鋰電池的安全隱患問題，電池檢測(cè)系統(tǒng)至關(guān)重要[1?3]。本文提供的電池管理系統(tǒng)主要是通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池參數(shù)，包括電壓、電流、溫度等，判斷出電池的狀態(tài)，并根據(jù)此時(shí)狀態(tài)給出電池的使用策略，對(duì)電池進(jìn)行優(yōu)化的使用，既防止出現(xiàn)濫用，保障其安全有效地使用；又能最大限度地發(fā)揮電池的性能，提高能源利用效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)針對(duì)二并四串8塊力神15AH3.2V磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行設(shè)計(jì)。主控制器采用TI公司的TMS320C2812DSP。2812DSP是目前性價(jià)比最高的DSP芯片之一，廣泛運(yùn)用在處理速度和處理精度要求較高的領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)使用TMS320C2812DSP的集成的的A/D轉(zhuǎn)換對(duì)電池組的單體電壓、電流和溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。所有采集到的與電池有關(guān)的數(shù)據(jù)與信息都要通過DSP芯片的A/D端口進(jìn)入其內(nèi)部，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算與分析，其結(jié)果通過液晶顯示屏進(jìn)行顯示。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

1.1 單體電壓采集電路

該電路實(shí)現(xiàn)的是對(duì)單個(gè)電池端電壓的采樣，因?yàn)檎麄€(gè)電池組的電壓較高，但每個(gè)電池的電壓不高，根據(jù)查閱資料可知，力神15AH3.2V磷酸鐵鋰電池保護(hù)電壓下限為2 V，保護(hù)上限為3.8 V，采集電路的測(cè)量范圍為0～5 V，而TMS320C2812的A/D端口輸入的電壓范圍為0～3 V，所以設(shè)計(jì)出如圖2所示的差分比例分壓電路進(jìn)行降壓。分壓電路采用運(yùn)放和電阻組合的差分放大電路，可以減小共模噪聲的干擾。電路中的運(yùn)算放大器的型號(hào)為L(zhǎng)M358，其內(nèi)部包括有兩個(gè)高增益的，獨(dú)立的雙運(yùn)算放大器。

圖2 電壓采集電路

設(shè)輸入為U1，輸出為U2，有：

[U1=R3R1+R3U+] （1）

[U--U1R2=U1-U2R4] （2）

根據(jù)式（1）、式（2）可得：

[U2=R3R1（U+-U-）] （3）

式中：[R1=R2=27 kΩ]；[R3=R4=36 kΩ]。此時(shí)電路最大可產(chǎn)生4∶3的分壓（[R3R1]的值），后一個(gè)放大器連成電壓跟隨器起隔離作用。于是[UOUT]的電壓范圍為0～3.75 V，但輸入到TMS320C2812的A/D端口的電壓不能超過3 V也不能低于0 V，所以圖中在輸出端加了一個(gè)IN4727的穩(wěn)壓二級(jí)管，IN4727的反向擊穿電壓為3 V，當(dāng)[UOUT]高于3 V時(shí)，穩(wěn)壓

管反向擊穿，將[UOUT]拉到3 V，當(dāng)[UOUT]低于0 V時(shí)穩(wěn)壓管正向?qū)ǎ脕肀Ｗo(hù)DSP的A/D端口。

1.2 電流采集電路

由于本設(shè)計(jì)針對(duì)兩并四串的鋰電池組，其最大工作電流為40 A，且充電電流與放電電流方向相反，則測(cè)量電流范圍為0～±50 A。本設(shè)計(jì)選擇LEM公司的LA55?P/SP50型號(hào)的霍爾電流電流傳感器，該傳感器具有出色的精度、良好的線性度、寬頻帶及低溫票等特點(diǎn)，性能指標(biāo)如下：測(cè)量范圍為0～±70 A；供電電壓為-15～+15 V；精度0.5%，轉(zhuǎn)換率為1：1 000，則從電流傳感器副邊的輸出電流[4]為0～±50 mA。圖3為L(zhǎng)A55?P/SP50的連接圖，其中[RM]為采樣電阻，選用采樣性能好的精度高、電阻溫漂應(yīng)不大于20 ppm/℃的金屬膜電阻。

綜合考慮采樣電阻所在電路的頻率，電壓及電流范圍，本電路采用阻值為22 Ω，額定功率為2 W的采樣電阻。電流采樣電路如圖4所示，電路中選用運(yùn)算放大器的為ADI公司的AD708。此運(yùn)放具有極高的直流精度，最大失調(diào)電壓為30 μV ，最大失調(diào)電壓漂移[5]為0.3 μV/℃。圖4中：

[U1=IRM] （4）

式中：[U1]的范圍為0～±1.1 V為雙極性信號(hào)，則運(yùn)放必須使用雙電源模式：

[U1R2=U2-U1R3] （5）

則：

[U2=（1+R3R2）U1] （6）

±3.3 V雙極性信號(hào)。前面已經(jīng)提過，DSP的A/D端口的輸入電壓只能為正的0～3 V，要使霍爾電流傳感器的輸出電量轉(zhuǎn)換到0～3 V。本電路在經(jīng)過比例放大后，經(jīng)過3.3 V的電平抬升電路及平均處理使得電壓跟隨器的輸入為0～3.3 V單極性信號(hào)，其中[R4]和[R5]的阻值只要相同就可以，在這里選阻值為10 kΩ的電阻，即安全又符合要求。后接同電壓采集電路作用相同的電壓跟隨器和IN4727穩(wěn)壓二極管。為了是環(huán)路的響應(yīng)更加平滑，在[R3]兩端并上一個(gè)100 pF電容[6]。計(jì)算如下：

[U2-U3R4=U3-3.3R5] （7）

[U3=U2+3.32] （8）

此時(shí)的輸出電壓[UOUT]為0～3.3 V單極性信號(hào)。根據(jù)電路及電路中的參數(shù)可以得出被測(cè)電流入[IN=1 000（2UOUT-3.3）66]。其中[UOUT]為TMS320C2812的A/D端口的轉(zhuǎn)換電壓，帶入[UOUT]的值可以計(jì)算出IN值。若[IN]的值為負(fù)，則說明此時(shí)電池正處在充電的工作狀態(tài)；若[IN]的值為正，則說明電池此時(shí)正處在放電狀態(tài)，電流的大小為[IN]絕對(duì)值的大小。

1.3 溫度采集電路

在充放電過程中，溫度控制也是許多設(shè)計(jì)者對(duì)鋰電池保護(hù)時(shí)需要考慮的因素。在高溫的時(shí)候?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電和放電，很有可能會(huì)導(dǎo)致電池中所包含的活性物質(zhì)和電解液產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生非常多的熱能，由于電解質(zhì)含有可以燃燒的有機(jī)溶劑，這會(huì)導(dǎo)致電池的溫度出現(xiàn)失控式地上升，致使電池燃燒，很有可能爆炸。在低溫的時(shí)候充放電，會(huì)對(duì)電芯造成損害，最終導(dǎo)致電池?fù)p傷。所以準(zhǔn)確的測(cè)溫是十分必要的。這個(gè)型號(hào)鋰電池，充電工作溫度-10～45 ℃，放電工作溫度-20～60 ℃。本設(shè)計(jì)采集的溫度范圍為-20～70 ℃，精度要求為1 ℃。

在此選用精度為1%的TTF103JT?075 10 kΩ熱敏電阻 ，在-20～70 ℃ 電阻變化范圍為0～70 Ω。TTF103絕緣薄膜封裝，熱感應(yīng)速度快，靈敏度高，形狀扁平，厚度只有0.25 mm，能夠很好地貼在鋰電池單體表面上。溫度采集采用恒流源采溫電路，如圖5所示。

采用 TL431 和5 kΩ精準(zhǔn)電位器 VR1 調(diào)節(jié)產(chǎn)生 4.096 V的基準(zhǔn)電壓，通過運(yùn)放U3A將基準(zhǔn)電壓 4.096 V 轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過TTF103（[R3]） 時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過運(yùn)放 U4B 將該微弱壓降信號(hào)放大，即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連TMS320C2812的A/D端口。根據(jù)虛地 “工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U3A的“+”端和“-”端電位[U+=U-=4.096]；假設(shè)運(yùn)放U3A的輸出腳對(duì)地電壓為[UO]：

[0-U-R2=U--UOR3] （9）

因此TTF103 上的壓降：

[U=U--UO=U-R2R3] （10）

因[U-]和[R2]均不變，因此圖 5 虛線框內(nèi)的電路等效為一個(gè)恒流源流過一個(gè)TTF10熱敏電阻，電流大小為[U-R2]，TTF103上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。將TTF103的分度表存在TMS320C2812中。采集到TTF103的電壓后便獲得[R3]的阻值，通過查表的方法得到當(dāng)前的所測(cè)量的溫度。

TTF103的電壓降U變化范圍為0～14.336 V，U3B接成差分比例分壓電路。圖中[R7=R6=50 kΩ]，[R4=R5=100 kΩ]，同電壓采集電路，此電路放大倍數(shù)為[R7R6=0.5]，[UOUT]的變化范圍為0～2.867 2 V。在TTF103兩端分別接一個(gè)電壓跟隨器，提高差分放大電路的輸入阻抗，防止電壓跟隨器分流造成誤差。U4B后接一個(gè)RC濾波濾除紋波和IN4727保護(hù)TMS320C2812的A/D端口。電路中選用運(yùn)算放大器的為ADI公司的AD708JNZ。

1.4 顯示模塊

顯示模塊選用液晶顯示屏QC12864B。QC12864B漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8 192個(gè)中文漢字、128個(gè)字符及64×256點(diǎn)陣顯示RAM（GDRAM）。中文液晶顯示模塊的屏幕由128×64點(diǎn)構(gòu)成 ，可顯示4行、每行8個(gè)漢字。其字型ROM內(nèi)含8 192個(gè)16×16點(diǎn)的中文字型和128個(gè)16×8點(diǎn)的半寬字母符號(hào)字型。

2 軟件設(shè)計(jì)

基于單片機(jī)技術(shù)的電池檢測(cè)軟件程序主要包含五個(gè)主要模塊：系統(tǒng)初始化模塊（主要完成系統(tǒng)各種變量的初始定義和設(shè)置）；數(shù)據(jù)處理程序模塊 （主要完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集、處理 A/D 數(shù)據(jù)，電池剩余容量估算處理等功能）；人機(jī)接口程序模塊（主要負(fù)責(zé)接收外部輸入命令，并對(duì)相應(yīng)的輸入命令進(jìn)行解釋處理，同時(shí)完成各種輸出信息的顯示）；故障檢測(cè)與診斷程序模塊（主要完成各運(yùn)行參數(shù)的數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，以發(fā)現(xiàn)可能存在的故障）。

系統(tǒng)復(fù)位后，首先執(zhí)行單片機(jī)初始化子程序，檢測(cè)鋰離子蓄電池的溫度、電壓、電流等信息是否正常。正常則進(jìn)入下一步，否則報(bào)警顯示并啟動(dòng)保護(hù)裝置。具體軟件流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本次實(shí)驗(yàn)選用兩并四串8塊力神15AH磷酸鐵鋰電池。電壓每秒鐘采集10次，每塊電池采集1 000點(diǎn)。為了提高采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，軟件采取平均值濾波的方法，有效地消除干擾。8塊電池的采集電壓如圖7所示，圖中黑線為示波器測(cè)量的單體電池電壓（都在26 ℃的室溫采下集）。由圖可見，電池的絕大部分電壓的變化范圍基本上在±10 mV內(nèi)變化；也有很少一部分誤差大于10 mV。造成這部分的誤差的原因可能有電路干擾及電路電阻的精度誤差引起的，但誤差基本上小于1%滿足工程需要。從總的來看，總的測(cè)量誤差較小，電壓測(cè)量的結(jié)果穩(wěn)定，波動(dòng)小。

本系統(tǒng)測(cè)量的電流值與表1所示，將其與安捷倫34401A六位半萬用表測(cè)量的電流值進(jìn)行比較，兩者的誤差小于1%。溫度測(cè)試由愛斯佩克EL（U）04KA（W）高低溫濕熱試驗(yàn)箱設(shè)置-20～70 ℃恒溫環(huán)境，采得數(shù)據(jù)如表2所示。由表可見溫度測(cè)量誤差小于1 ℃，滿足工程要求。

4 結(jié)論與展望

本文提供了基于TMS320C2812DSP的鋰電池檢測(cè)系統(tǒng)并分別對(duì)電壓檢測(cè)電路，電流檢測(cè)電路和溫度采集電路進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可以對(duì)鋰電池的的電壓、電流和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，能可靠地進(jìn)行過充電、過放電的保護(hù)，確保電池組的安全。本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單、精度高、可靠性高、成本低滿足工程需要。但本系統(tǒng)在抗干擾方面仍有可提升空間。在此檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步增加單體電壓均衡、SOC估算和SOH估算等功能，組成完整的電池管理系統(tǒng)（BMS）。

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