張惠玲，周金治，鄭 希

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

一種基于MSP430F5529的鋰電池組均衡方法及實(shí)現(xiàn)

張惠玲，周金治，鄭 希

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

鋰電池組因單體電池之間的不一致，長期使用后將導(dǎo)致電池荷電狀態(tài)出現(xiàn)差異，這種不均衡將使整個(gè)電池組效率降低。設(shè)計(jì)了一種基于SPI通信、以MSP430F5529與Bq76PL536為核心的鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)，通過電阻分流的均衡方式，實(shí)現(xiàn)單體電池之間的電壓均衡，提高電池組的使用壽命和安全性能。

鋰離子電池組；電池均衡管理；MSP430F5529；Bq76PL536

鋰電池在串接使用時(shí)，由于批次、電池質(zhì)量等自身原因或在使用過程中個(gè)別電池電芯的損壞，會使電池組在長期使用后，各電芯的容量有所差異。在沒有均衡管理的情況下，這種個(gè)體差異會越變越大，造成在同樣大小電流的情況下，容量大的電池電芯處于淺充淺放狀態(tài)，電芯容量衰減得比較緩慢，使用壽命更長；而容量小的電芯卻總處于過充過放狀態(tài)，電芯容量衰減得較快，使用壽命縮短[1]。由于最差電芯的壽命決定整個(gè)電池組的使用壽命，因此需通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和均衡管理，減少這種差異并提高電池組的綜合性能，使電池能量得到充分利用。

鋰電池放電曲線相對平坦，必須非常準(zhǔn)確地檢測其端電壓和溫度等參數(shù)，防止電池過充或過放，以確保電池工作環(huán)境安全可靠[2]。本文提出了一種以MSP430F5529單片機(jī)和Bq76PL536芯片為核心的鋰離子電池組均衡管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對18節(jié)磷酸鐵鋰離子電池端電壓、溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測與顯示。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該鋰電池均衡管理系統(tǒng)主要由中央處理單元、數(shù)據(jù)采集與均衡單元、鍵盤以及LCD顯示模塊組成。主控制器MSP430F5529通過SPI同步通信監(jiān)測電池組的狀態(tài)，并對各測量模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，然后經(jīng)LCD實(shí)時(shí)顯示。數(shù)據(jù)采集模塊對單體電池電壓、溫度值進(jìn)行采樣，將信息傳回中央處理單元并與系統(tǒng)設(shè)置的報(bào)警點(diǎn)進(jìn)行比對，根據(jù)判斷結(jié)果實(shí)施相應(yīng)電阻分流均衡控制，另外可通過按鍵對電池分組和顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控制器與Bq76PL536的SPI通信

系統(tǒng)選用的主控制器MSP430F5529，功耗較低、處理能力強(qiáng)大，具有豐富的片上外圍模塊及方便高效的開發(fā)方式等特點(diǎn)。其內(nèi)置12位A/D轉(zhuǎn)換器，有異步和同步(UART/SPI)兩種模式串行通訊接口，可直接使用JTAG口進(jìn)行程序的下載或者在線調(diào)試，操作簡單方便。單片機(jī)通過SPI同步通訊口讀取電池監(jiān)控芯片Bq76PL536采集的電壓、溫度信息，實(shí)現(xiàn)對電池組充放電均衡管理。主從晶振頻率分別為8 MHz和32.768 kHz，P1口、部分P2口用來實(shí)現(xiàn)LCD顯示，部分P8口進(jìn)行報(bào)警控制，部分P3口和P4口用來實(shí)現(xiàn)SPI通信。

圖2 系統(tǒng)電路原理

本設(shè)計(jì)采用MSP430F5529自帶的SPI口讀取電壓信號，可以簡化電路設(shè)計(jì)，提高電路可靠性，也降低了系統(tǒng)成本。如圖2所示，Bq76PL536與MSP430F5529的串行模塊USART0直接相連，將USART0配置成SPI工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。由單片機(jī)的STE端口實(shí)現(xiàn)從設(shè)備的片選功能，在SCLK端口時(shí)鐘脈沖控制下，SDI與SDO則基于此脈沖完成數(shù)據(jù)傳輸。FAULT和ALERT作為警報(bào)點(diǎn)的設(shè)置端口，對系統(tǒng)起保護(hù)作用。待系統(tǒng)上電后，啟動(dòng)電池監(jiān)控芯片，測量電池電壓數(shù)據(jù)并開始讀取電壓值，再通過數(shù)據(jù)緩沖器SN74LVC245ADW實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的寫入與讀取，可提高系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單明了。

1.2 電壓采集與均衡電路設(shè)計(jì)

鋰電池的充放電狀態(tài)對應(yīng)于電池的端電壓，因此電壓是一個(gè)非常重要的參數(shù)。目前常用的電壓檢測方法有飛度電容法、電阻分壓法、運(yùn)算放大器差分放大法等。但上述方法都存在一定的缺點(diǎn)，比如外部器件復(fù)雜、采樣頻率低、采樣誤差大等。本設(shè)計(jì)采用的電池監(jiān)控芯片Bq76PL536是一款可堆棧3～6節(jié)串聯(lián)鋰電池組的保護(hù)器與模擬前端(AFE)，高度整合了高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)；具有獨(dú)立電池電壓、溫度保護(hù)功能，電池平衡技術(shù)以及為用戶電路供電的高精度5 V穩(wěn)壓器，可針對過壓、欠壓及過溫情況提供全面保護(hù)[3]。該芯片集成了電壓轉(zhuǎn)換與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，通過圖2中的精密電阻R2能夠高度精確、快速地測量電池單元電壓。

鋰電池作為電源使用時(shí)需將多個(gè)電池進(jìn)行串并聯(lián)連接，由于各節(jié)電池內(nèi)部特性不一致，電池在充放電過程中也會出現(xiàn)不一致，將降低整個(gè)電池組的利用率和使用壽命[4]。因此必須采取有效的均衡方法，使各個(gè)電池能夠達(dá)到均衡一致的狀態(tài)，避免過充和過放。本文均衡電路的設(shè)計(jì)采用基于Bq76PL536的電阻分流法，是一種典型的能量耗散型均衡策略，這種方法電路簡單，可靠性高。圖2中所示為一個(gè)單體電池的均衡電路，其余電池單元均衡方式可以此類推。將芯片通過端口VC(i)分別測得的各單元電池電壓值與電池組平均電壓進(jìn)行比對，若高于平均值則發(fā)送高電平至端口VB(i)，開啟作為放電控制開關(guān)的P溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)管Q1(i)，電阻R1開始以500 mA的電流對原始信號進(jìn)行放電；反之則關(guān)閉Q1 (i)，電阻R1停止放電，如此循環(huán)檢測，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)電池單元之間的均衡放電。

1.3 可變級數(shù)的多級級聯(lián)電路設(shè)計(jì)

TI公司生產(chǎn)的電池監(jiān)控芯片Bq76PL536每片可同時(shí)連接6個(gè)電池單元，通過簡單級聯(lián)，最多可同時(shí)測試192節(jié)電池。本文設(shè)計(jì)的均衡管理系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)18節(jié)磷酸鐵鋰電池的電壓、溫度測量，因此需采用三片芯片來完成設(shè)計(jì)。如圖2中所示，Bq76PL536通過N級、S級端口實(shí)現(xiàn)級聯(lián)，主從芯片之間通過SPI通信完成數(shù)據(jù)的傳輸。該系統(tǒng)在TI公司提供的三片Bq76PL536級聯(lián)評估板(EVMs)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了電路改進(jìn)，通過詳細(xì)對比三片IC外圍電路，綜合考慮主芯片需要與MCU進(jìn)行SPI通信以及主、從芯片主界面使能端口(HSEL)接高電平、低電平等不同點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了適用于所有IC的電路原理圖，大大增加了系統(tǒng)的通用性。并可通過撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)級數(shù)的選擇，操作簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

管理系統(tǒng)主控板采用IAR軟件開發(fā)平臺，通過JTAG口編譯下載程序到單片機(jī)MSP430F5529中，并可實(shí)現(xiàn)程序在線調(diào)試。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括以下子程序：主程序、Bq76PL536均衡管理程序、SPI通信、按鍵掃描以及LCD液晶顯示程序等，流程如圖3所示。系統(tǒng)上電后初始化相關(guān)硬件設(shè)備；進(jìn)行鍵盤掃描判斷是否有按鍵按下；接著采樣電壓、溫度、電流等相關(guān)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；判斷是否出現(xiàn)過充現(xiàn)象，若超過安全閾值則發(fā)出警報(bào)信號；判斷單體電池電壓是否高于平均值，若是則實(shí)施相應(yīng)電阻分流均衡管理；最后將數(shù)據(jù)發(fā)送至主控制單元并通過LCD實(shí)時(shí)顯示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)總體框圖

3 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)所用三洋牌鋰電池單體電池標(biāo)稱電壓為3.7 V，容量為2 600 mAh。系統(tǒng)上電后通過Bq76PL536對電池電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，如表1所示，以一個(gè)采集板采集6節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)為例進(jìn)行說明。本次設(shè)計(jì)的均衡時(shí)間是10 min，系統(tǒng)持續(xù)15 min上電采集數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)表1中2#電池的電壓從3 718 mV降到了3 670 mV，圖4中的柱狀圖更能直觀清晰地看出經(jīng)過均衡處理后電池組6節(jié)電池電壓之間基本實(shí)現(xiàn)了均衡。

4 結(jié)束語

本文的研究工作圍繞鋰電池均衡管理系統(tǒng)進(jìn)行，設(shè)計(jì)了一種以MSP430單片機(jī)和電池監(jiān)控芯片Bq76PL536為核心的電阻分流式均衡管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對18節(jié)磷酸鐵鋰電池端電

表1 電池均衡前后電壓測量數(shù)據(jù)

壓及溫度的實(shí)時(shí)檢測與顯示。主要工作在于根據(jù)原有電路級聯(lián)評估板進(jìn)行了電路改進(jìn)，設(shè)計(jì)出了適用于所有IC的電路原理圖，增加了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和通用性。通過系統(tǒng)軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試，電壓實(shí)時(shí)檢測和均衡電路都達(dá)到了較好的效果。設(shè)計(jì)的不足之處是采用電阻分流的均衡方案，消耗電源能量，且只能實(shí)現(xiàn)單體電池高電壓向平均電壓轉(zhuǎn)移，不能實(shí)現(xiàn)電壓低的單體電池的均衡。

圖4 均衡前后電池電壓值

[1]張金頂，王太宏，龍澤，等.基于MSP430單片機(jī)的12節(jié)鋰電池管理系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2011，35(5):514-516.

[2]王天福，劉強(qiáng)，李志強(qiáng).動(dòng)力鋰電池組充放電智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電源技術(shù)，2011，35(9):1069-1071.

[3]宋海飛，曹亞.一種新穎的動(dòng)力電池均衡方法研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47(4):6-8.

[4]HSIEH Y H,LIANG T J,CHEN S M.A novel high-efficiency compact-size low-cost balancing method for series-connected battery applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2013,28(12):5927-5939.

Balancing method and implementation for lithium batteries based on MSP430F5529

ZHANG Hui-ling,ZHOU Jin-zhi,ZHENG Xi
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

Due to the inconsistencies among cells for lithium batteries,long-term use will cause discrepancies to the state of charge,and the imbalance will reduce the efficiency of entire battery pack.A lithium-ion battery equalization management system was designed based on SPI communication with MSP430F5529 and Bq76PL536 as the core. The balance way of resistance-shunting was used to achieve the voltage balance among each cell and improve the service life and safety performance of the battery pack.

lithium-ion batteries;battery equalization management;MSP430F5529;Bq76PL536

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1652-02

2015-01-12

四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(13zxtk07)；西南科技大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(14ycxjj0116)

張惠玲(1989—)，女，四川省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殇囯姵毓芾硐到y(tǒng)。