王光明，曹銘，黃菊花

（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程，江西南昌330031）

帶均衡功能的電壓采集模塊設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

王光明，曹銘，黃菊花

（南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院車輛工程，江西南昌330031）

由于單體鋰電池之間存在不一致性而影響其使用性能，因此在電池管理系統(tǒng)中須設(shè)置均衡模塊?；贔reescale單片機(jī)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了20路帶均衡功能的動(dòng)力鋰電池電壓采集模塊。該電壓采集模塊采用高速光耦進(jìn)行單路選通；單體電池的電壓經(jīng)差分濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及單片機(jī)處理后用CAN總線發(fā)送給電池管理系統(tǒng)的主控模塊。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該采集模塊的性能穩(wěn)定，充電完成后的電池一致性提高。

動(dòng)力鋰電池；電壓采集；電池均衡；CAN總線

車用動(dòng)力電池一般串聯(lián)成電池組使用，電池組的性能取決于最差的單體電池。電池管理系統(tǒng)的算法是以采集到的電池狀態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，因此必須保證電壓采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和高精度。由于電池串聯(lián)成組使用過程中存在不一致性問題，在給電池組充放電時(shí)，任何一個(gè)單體電池過充或過放都會(huì)影響電池組的性能和壽命。對(duì)電池組加裝能量均衡系統(tǒng)，對(duì)充放電進(jìn)行智能管理，可以有效緩解電池的不一致性，提高電池組使用性能和使用壽命。本文基于飛思卡爾MC9S08DZ60單片機(jī)，改進(jìn)了電壓采集模塊的設(shè)計(jì)并且加入電池均衡模塊。

1 電壓采集模塊設(shè)計(jì)

1.120路采集信號(hào)選通電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的采集模塊可以采集20個(gè)單體電池的電壓。采集模塊對(duì)單體電池采取巡檢的方式，即每次只采集一塊單體電池的電壓，巡回采集。通過A11～A15的5根地址線控制3個(gè)74LS138片選芯片，當(dāng)選通某一路后高速光耦A(yù)QW214EH導(dǎo)通，把對(duì)應(yīng)的單體電池的正負(fù)極依次接入差分電路的V+和V―，然后接入A/D模塊，經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換后將電池電壓數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給BMS模塊。圖1中，A11、A12、A13控制DM74LS138的A、B、C引腳，用來控制Y0到Y(jié)7的選通；A14和A15用來選擇U1、U2、U3。當(dāng)A14、A15給低電平時(shí)選通U1，當(dāng)A14給高電平A15給低電平時(shí)選通U2，當(dāng)A14給低電平A15給高電平時(shí)選通U3。

圖1 采集信號(hào)選通電路

1.2 電壓采集電路設(shè)計(jì)

電壓采集模塊主要是采集每個(gè)單體電池電壓和電池箱內(nèi)的節(jié)點(diǎn)溫度。由于采集模塊只采集單體電池的電壓，可以采用差分電路進(jìn)行采集[1]。圖2中，R1起限流作用，C1、C2構(gòu)成濾波電路，輸入端接入反相并聯(lián)的二極管D1、D2，將輸入電壓限制在二極管的正向壓降以下，保護(hù)輸入級(jí)的晶體管。R1、R2、R3、R4、R5、C3和AR1運(yùn)放構(gòu)成差分信號(hào)采集電路。運(yùn)放AR2、C4構(gòu)成電壓跟隨器，電壓跟隨器具有輸入高阻抗、輸出低阻抗的特性，信號(hào)檢測時(shí)能起緩沖、隔離、提高帶載能力的作用[2]。

圖2 差分濾波電路

當(dāng)信號(hào)選通電路選中某一塊單體電池后，電池電壓經(jīng)過濾波電路進(jìn)入差分采集模塊，輸出電壓1=5(+――)/3，單端輸出的1通過電壓跟隨電路和差分濾波電路一起組成二階低通濾波，有利于改善濾波特性[3]，其中1=2=_OUT。_OUT端輸出的電壓進(jìn)入MC9S08DZ60單片機(jī)本身集成ADC模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，其特性是：采用12位分辨率的線性逐次逼近算法，可以單次或連續(xù)轉(zhuǎn)換，采樣時(shí)間和轉(zhuǎn)換速度/功率可配置。單塊電池一次電壓采集時(shí)間約為8.5ms，可以滿足電池管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

2 多路溫度采集

溫度對(duì)鋰電池的性能影響較大，電池管理系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的溫度，因此要求采集電池節(jié)點(diǎn)之間的溫度[4]。為了降低成本、提高可靠性，本設(shè)計(jì)采用了Maxim公司的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，它采用一線式總線結(jié)構(gòu)直接輸出數(shù)字量信號(hào)。傳感溫度范圍―55～125℃，A/D轉(zhuǎn)換精度為12位。每塊采集模塊上裝有4個(gè)溫度傳感器，其中3個(gè)布置在電池包的溫度采集節(jié)點(diǎn)上，用來采集電池的溫度；另外還有一個(gè)布置在采集模塊上，用來采集模塊自身的工作溫度，作為均衡時(shí)冷卻風(fēng)扇控制的一個(gè)主要參考信號(hào)。DS18B20的轉(zhuǎn)換速度較慢，為了提高溫度的采集速率，采用一個(gè)I/O口控制一個(gè)DS18B20，而不是一個(gè)I/O口控制多個(gè)DS18B20的方式。這樣雖然多用了幾個(gè)I/O口，但其好處是對(duì)CPU進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的操作就可以同時(shí)控制四路溫度采集模塊，大大提高了效率，采集的溫度實(shí)時(shí)性更高，當(dāng)然溫度采集的準(zhǔn)確性也就提高了。

3 CAN通信

采集模塊采集到的電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)都需要通過CAN總線發(fā)送給電池管理系統(tǒng)的主控制器BMS；BMS也通過CAN總線發(fā)送信號(hào)控制采集模塊；由于選擇的MC9S08DZ60單片機(jī)集成了CAN通信模塊MSCAN，還需要外接一個(gè)CAN通信收發(fā)器TJA1040。在此對(duì)CAN通信模塊進(jìn)行隔離設(shè)計(jì)，提高了穩(wěn)定性[5]。

CAN總線的信號(hào)隔離設(shè)計(jì)如圖3所示：從CPU引出的TXCAN和RXCAN分別接到高速光耦6N137，而由TJA1040的TXD和RXD引腳分別接到6N137的OUT和IN引腳，這樣CAN總線就與單片機(jī)隔離開了。同時(shí)，CAN總線的電源和地線單獨(dú)供給，與其他模塊分開，這樣可以提高CAN總線的抗干擾能力[6]。在CANH和CANL的引腳上與地之間，接上小于100 pf的濾波電容，降低總線上的高頻干擾。

圖3 CAN通信原理圖

4 均衡電路設(shè)計(jì)與散熱處理

4.1 均衡電路設(shè)計(jì)

常用的均衡方法有能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡方法。耗散型的均衡方式，就是當(dāng)電池電壓超過設(shè)定的值時(shí)，接通功率電阻，將多余的電量通過發(fā)熱的形式耗散掉，其優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是發(fā)熱量大，造成能量損失[7]。非耗散型均衡是指均衡過程中電池組的能量在單體電池間發(fā)生轉(zhuǎn)移，即電量高的單體電池給電量低的單體電池充電，能量損耗小，但是這種均衡電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高，穩(wěn)定性也不能確定?；谝陨弦蛩?，本設(shè)計(jì)采用的是充電耗散型均衡電路，設(shè)計(jì)電路如圖4所示。

圖4 均衡電路原理圖

當(dāng)控制端FD_01輸出高電平時(shí)光耦JP3導(dǎo)通，此時(shí)MOS管開關(guān)電路柵極G和源極S上電，漏極D與源極S導(dǎo)通，功率電阻開始工作耗散多出的能量，同時(shí)發(fā)光二極管指示燈亮。

選用的磷酸鐵鋰電池最高充電電壓為3.65V，標(biāo)稱容量為100Ah。要保證較好的均衡效果，功率電阻的功率不能太小也不能太大，太大難以散熱，太小則均衡效果不好，對(duì)于100Ah的電池一般使用10～20A的電流充電，均衡電流至少應(yīng)該在1A左右[8]。因此，選擇5W3Ω的金屬殼功率電阻（兼顧散熱性）。

本文采用的方案是在充電過程中由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)均衡開關(guān)，其占空比由均衡控制電路根據(jù)相應(yīng)的充電控制策略進(jìn)行調(diào)整。

4.2 均衡散熱處理

被動(dòng)均衡的一個(gè)主要問題是均衡過程中如何散熱，散熱不好將導(dǎo)致采集模塊的溫度過高，影響采集模塊的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性[9]。本文采用了鋁合金散熱片和風(fēng)扇的組合散熱方式。散熱鋁片的平面端用散熱硅脂與功率電阻的金屬外殼粘結(jié)在一起，有散熱導(dǎo)槽的端面裝兩個(gè)散熱風(fēng)扇，采集模塊的盒子兩側(cè)開散熱口。另外在板子上布有一個(gè)溫度傳感器，當(dāng)檢測到板子溫度過高時(shí)，立即停止均衡，兩個(gè)風(fēng)扇同時(shí)開啟，等到溫度降下來之后再繼續(xù)開啟均衡。圖5所示為風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)控制電路，PB0接單片機(jī)的I/O口，F(xiàn)AN1接風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)控制端。

圖5 風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)控制電路

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)證明，電壓采集模塊能夠穩(wěn)定地采集數(shù)據(jù)而且采集的電壓精度較高。在沒有采用充電均衡模塊的情況下，充滿電以后在靜態(tài)時(shí)，用4位半高精度萬用表測得的電壓值與采集電壓值的對(duì)照如圖6所示（每塊電池測量10次，取平均值，得出每個(gè)點(diǎn)的電壓值）。由圖6可知，誤差在5mV范圍之內(nèi)，電壓采集結(jié)果比較準(zhǔn)確。

圖6 測量電壓與采集電壓對(duì)比

用放電機(jī)將電池放電一段時(shí)間后再次測量電池電壓并記錄數(shù)據(jù)。然后開啟均衡模塊給電池進(jìn)行充電均衡，充電過程中（室溫19℃）每20min記錄一次采集模塊的溫度，并且記錄充滿電后的電池電壓，如圖7所示。由圖7可知，充電前電池的不一致性較嚴(yán)重，其中6號(hào)電池偏差最大，經(jīng)過充電均衡后，各個(gè)電池之間的電壓相差較小，在可以接受的范圍內(nèi)，一致性有了明顯的改善。

圖7 均衡前后電壓對(duì)比圖

均衡過程中的溫度變化曲線如圖8所示，在開始時(shí)由于電池之間的電壓相差較大，因此均衡電流比較大，溫度升高較快，一段時(shí)間后溫度開始下降，末段時(shí)間由于使用涓流充電，因此均衡電流很小，發(fā)熱量較少，溫度基本與室溫持平。由曲線可以看出在充電均衡過程中，采集模塊最高的溫升不超過3℃。因此，可以認(rèn)為采集模塊的均衡散熱效果較好，均衡發(fā)熱不會(huì)對(duì)采集模塊造成影響。

圖8 采集模塊溫度隨時(shí)間變化曲線

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的采集模塊的電壓采集速度快，可以滿足電池管理系統(tǒng)對(duì)單體電池電壓實(shí)時(shí)監(jiān)控的要求。采用差分采集電路，性能穩(wěn)定可靠，誤差較小。對(duì)CAN通信模塊進(jìn)行了雙隔離處理，提高了CAN通信的穩(wěn)定性。采集模塊帶有充電均衡功能，可以提高充電時(shí)的電池一致性，而且均衡產(chǎn)生的熱量通過加裝散熱片和風(fēng)扇得到了較好的控制。但是畢竟采用的是耗散式的均衡方式，給電池充電時(shí)會(huì)浪費(fèi)一定的能源。主動(dòng)均衡技術(shù)正在成熟，能量損耗更小，這將是鋰電池均衡的發(fā)展方向。

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Design and implementation voltage acquisition board with equalization function

WANG Guang-min,CAO Ming,HUANG Ju-hua

The performance of batteries was influenced because of inconsistencies among themonomer lithium battery.So the equalizationmodule in the Battery Management System was necessary.The 20-channel power lithium battery voltage acquisitionmodule with equalization function was designed and implemented based on Freescalemicrocontroller.High-speed optocoupler for single channel strobe was used in voltage acquisitionmodule.After the acquisition of the differential filter circuit,conversion ofA/D conversion circuit and processing of MCU,the single battery voltage was sent to the BMSmain controlmodule by CAN Bus.The acquisitionmodule's stably performance was validated,and the battery consistency after being charged was improved.

power lithium battery;voltage acquisition;battery equalization;CAN bus

TM 912

A

1002-087 X(2014)10-1815-03

2014-03-15

王光明(1987—)，男，江西省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉雌嚒?/p>

黃菊花