張秋艷 ，高平安，李天鵬，李 貝

（1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，榆林 719000；2.榆林市氣象局，榆林 719000）

隨著石油能源緊缺和環(huán)境質(zhì)量要求的日益增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車成為當(dāng)前新秀，而電動(dòng)汽車的動(dòng)力系統(tǒng)主要還是鋰電池。但在實(shí)際應(yīng)用中，鋰電池成組后單體電池之間存在過充、過放等許多問題，導(dǎo)致了單體電池之間的不一致現(xiàn)象[1-2]。且動(dòng)力系統(tǒng)的鋰電池在成組后，各個(gè)單體電池的不一致現(xiàn)象嚴(yán)重地影響了鋰電池組的性能，嚴(yán)重縮短了其使用壽命[3-4]。因此鋰電池組的能量均衡控制是整個(gè)電動(dòng)汽車系統(tǒng)的重要技術(shù)，給電池組增加其他的均衡電路和器件以達(dá)到電池組的均衡，考慮到系統(tǒng)的空間大小和功耗問題，本文提出了一種基于低功耗控制器MSP430，采用放電法進(jìn)行電池組之間的均衡電路控制，從而實(shí)現(xiàn)電池組之間的能量均衡，且采用數(shù)字濾波算法，提高能量均衡的穩(wěn)定性，對(duì)電池組單體信息由LCD12864液晶實(shí)時(shí)顯示，并上傳到上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要以MSP430F1101為控制核心，外圍電路主要有LTC6804能量檢測(cè)模塊、能量均衡控制模塊、LCD12864液晶顯示模塊及遠(yuǎn)程通訊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)顯示模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 System block diagram

1.1 控制中心選擇

方案一是采用常用的51系列單片機(jī)，具有8位指令操作，運(yùn)算能力強(qiáng)，電源供電5 V[5]。方案二是采用TI公司生產(chǎn)的MSP430F1101單片機(jī)，它是一種16位超過控低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集的混合信號(hào)處理器，其運(yùn)行速度快、電源電壓低（1.8～3.3 V）、片內(nèi)資源豐富、且內(nèi)嵌12位AD轉(zhuǎn)換模塊，且具有廉價(jià)的USB仿真器[6]。為了降低系統(tǒng)整體功耗，縮小系統(tǒng)體積，本次設(shè)計(jì)采用方案二。

1.2 電源電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作需要穩(wěn)定的電壓信號(hào)，因此必須提供電源電路。電源電路設(shè)計(jì)如圖2所示，電源供電15 V，通過78L05芯片及LM1117-3.3 V芯片[7]將電源電壓依次轉(zhuǎn)換成LTC6804所需要的5 V和控制器、顯示屏及通訊模塊所需要的3.3 V，其中電容C1～C6的主要作用是濾波、減少干擾和震蕩。

圖2 電源電路設(shè)計(jì)Fig.2 Power circuit design

1.3 電壓采集電路設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，各個(gè)單體鋰電池串聯(lián)形成一個(gè)鋰電池組，串聯(lián)期間每節(jié)單體鋰電池會(huì)產(chǎn)生共模電壓，故需要檢測(cè)鋰電池組的單體電壓，減小共模電壓影響[8]。本設(shè)計(jì)采用專用的電池組模擬前端芯片LTC6804。LTC6804芯片內(nèi)部自帶ADC轉(zhuǎn)換器，且具有特殊的集成電路設(shè)計(jì)，可對(duì)多節(jié)串聯(lián)的單體鋰電池進(jìn)行電壓的采集，也可在內(nèi)部設(shè)置對(duì)電壓采集的速度和精度，LTC6804芯片的最大測(cè)量誤差可以減小到1.2 mV，LTC6804芯片可以提供5個(gè)進(jìn)行模擬量采集的I/O端口，此端口可以配置成溫度或其他傳感器輸入也可以配置成IIC接口[9]。其采集電路如圖3所示，芯片信號(hào)的采集與傳輸通過處理器進(jìn)行控制，VCC接入一個(gè)5 V的電源，引腳A0～A3接地，LTC6804在工作中直接由所測(cè)量的電池進(jìn)行供能，而其供能由2個(gè)引腳DRIVE和VREFG連接至一個(gè)5 V的直流電壓，作為芯片基準(zhǔn)，在電路中接入一個(gè)三極管Q3將串聯(lián)電池的總電壓穩(wěn)壓至一個(gè)穩(wěn)定的5 V直流電壓輸給VREFG引腳，再在電路中通過引腳 VREFG、VREF1、VREF2 接入 3 個(gè) 0.1 μF的電容C13、C14和C15，這樣可以把干擾脈沖通過電容接地，隔斷直流從而消除干擾。 C1、C2、S1、S2引腳同時(shí)檢測(cè)2組鋰電池電壓，由內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成控制器所需的數(shù)字電壓信號(hào)，進(jìn)入MSP430F1101單片機(jī)。

圖3 電壓采集電路Fig.3 Voltage acquisition circuit

1.4 能量均衡控制電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)擬采用放電法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組BT0與BT1能量的均衡，放電結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中，放電MOS管選用功率型MOSFET，IRF740進(jìn)行設(shè)計(jì)，IRF740器件屬于第三代的COOL POWER器件，導(dǎo)通電阻小，僅0.48 Ω，負(fù)載電流大，最高可達(dá)10 A級(jí)別，源漏最高支持電壓30 V，滿足本設(shè)計(jì)要求。電路中引腳 S1、S2、C1、C2接入對(duì)應(yīng)的 LTC6804檢測(cè)芯片，引腳BATIN與單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳相連接，電路中放電電路由2個(gè)MOS管Q1、Q2與2個(gè)放電電阻R1、R2組成，MOS管作為開關(guān)器件，打開時(shí)系統(tǒng)放電，關(guān)斷時(shí)停止放電，系統(tǒng)判定對(duì)電池電壓較高的一組進(jìn)行放電，當(dāng)其電壓下降到與低電壓電池一致時(shí)，結(jié)束放電，實(shí)現(xiàn)電池組能量均衡的設(shè)計(jì)。

圖4 能量均衡電路Fig.4 Energy equalization circuit

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)系統(tǒng)程序的主干，包含初始化、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集子程序、電池組信息檢測(cè)及電池管理子程序、RS-485通信子程序、均衡控制程序、LCD顯示子程序等。其主流程結(jié)構(gòu)如圖5所示。首先對(duì)系統(tǒng)上電進(jìn)行初始化；其次，啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器，如果到達(dá)20 ms，讀取由LTC6804芯片檢測(cè)到的電池組電壓，由于鋰電池作放電過程中，電壓信號(hào)變化緩慢，為了得到穩(wěn)定的電壓顯示效果，本次設(shè)計(jì)連續(xù)采集6次電壓，去掉最大值與最小值，取剩余4個(gè)電壓的值得平均值作為當(dāng)前工作電壓，從而避免由于系統(tǒng)噪聲干擾引起的誤差，之后將電池組各電壓值通過LCD12864液晶實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過RS-485通訊，上傳到上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；最后進(jìn)行信息的分析與處理，若電池組中電壓不一致，那么均衡電路會(huì)對(duì)電池組中單體的容量進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)方式如表1所示。電壓高的電池會(huì)對(duì)電壓低的電池進(jìn)行放電，實(shí)現(xiàn)電池組的均衡性，如果兩節(jié)電池電壓達(dá)到一致，則結(jié)束運(yùn)行。

由于MSP430F1101具有超低功耗、且多種工作模式[10]，為了降低系統(tǒng)功耗和體積，本次設(shè)計(jì)選用間歇式工作模式，電池組均衡過程較長(zhǎng)，在此過程中，無需長(zhǎng)時(shí)間顯示，當(dāng)被喚起時(shí)顯示即可；其次，為了避免專用AD轉(zhuǎn)換芯片引入的功耗，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌AD模塊的LTC6804電池專用檢測(cè)芯片，進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)節(jié)省了系統(tǒng)空間。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

表1 能量均衡開關(guān)控制狀態(tài)Tab.1 Energy balance switch control state

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序編程調(diào)試，搭建硬件平臺(tái)。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)功能的完整性。該試驗(yàn)由2節(jié)能量不均勻的電池作測(cè)試，系統(tǒng)上電后，如圖6（a）所示，可以看出，兩節(jié)單體電池能量不均，開始啟動(dòng)均衡控制電路，如圖6（b）所示，單體電池電壓高的逐漸給電壓低的電池進(jìn)行放電均衡，LCD12864能夠正常顯示單節(jié)電池電壓的數(shù)據(jù)，說明LTC6804以及LCD12864工作正常；均衡一段時(shí)間后，如圖6（c）所示，兩節(jié)單體電池的電壓達(dá)到穩(wěn)定，并且兩節(jié)電池的電壓達(dá)到基本一致，說明鋰電池組的能量均衡控制的過程已經(jīng)完成。系統(tǒng)是測(cè)試過程同時(shí)通過上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)測(cè)試Fig.6 System testing

圖7 上位機(jī)監(jiān)測(cè)Fig.7 Upper computer monitoring

4 結(jié)語

本文主要闡述低功耗的鋰電池組能量均衡控制的硬件及軟件設(shè)計(jì)過程，介紹鋰電池組能量均衡控制電路、鋰電池組各單體電壓檢測(cè)、電源設(shè)計(jì)、液晶顯示等硬件的結(jié)構(gòu)、工作原理、軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池組的能量的監(jiān)測(cè)和均衡控制功能。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、體積小，對(duì)電動(dòng)汽車鋰電組能量均衡控制具有一定的參考意義。