張秋艷，王兆華，高平安，汪易

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

0 引 言

由于鋰電池自放電率低，體積小，能量比高等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，尤其近年來(lái)能源消耗越來(lái)越大，電動(dòng)汽車已經(jīng)漸漸興起，而鋰電池由于其突出優(yōu)點(diǎn)，而成為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的新秀。為了確保動(dòng)力鋰離子電池的安全可靠運(yùn)行、避免發(fā)生著火、爆炸等危險(xiǎn)，必須為鋰離子電池配備智能、高效的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行有效的安全性和可靠性管理。通過電池管理系統(tǒng)，可以對(duì)電池組進(jìn)行有效的監(jiān)控和管理，提高電池組的使用效率和使用壽命，從而降低運(yùn)行成本，增強(qiáng)電池組的可靠性。因此，本設(shè)計(jì)以MSP430 為控制核心，通過對(duì)鋰電池電壓、電流、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，并對(duì)其進(jìn)行分析處理，設(shè)計(jì)過壓過流等保護(hù)電路，保證鋰電池的安全運(yùn)行，并將運(yùn)行信息實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過Wi-Fi 上傳到服務(wù)器、手機(jī)APP 等便攜式顯示終端，實(shí)現(xiàn)鋰電池智能控制的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

鋰電池智能管理系統(tǒng)由采樣端，主控制器，輸出端三部分組成。其中，采樣端包括電壓采集，電流采集，溫度采集等檢測(cè)環(huán)節(jié)，主要收集電池安全運(yùn)行的基本信息以及用戶操控信息等；主控制器選用16 位單片機(jī)MSP430G2553，該芯片不僅功耗低，而且內(nèi)嵌A/D 轉(zhuǎn)換，避免了系統(tǒng)使用專用模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片帶來(lái)的功耗，從而降低系統(tǒng)整體功耗，主控制器對(duì)采集到的電池信息進(jìn)行分析與處理，并發(fā)送給輸出端，進(jìn)行電池的過壓過流保護(hù)等控制；輸出端為L(zhǎng)CD 顯示器以及Wi-Fi 單元設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互信息功能等，系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要硬件電路包括電源電路、電壓/電流/溫度采集電路、顯示電路、電路防反接過壓過流保護(hù)電路、Wi-Fi通訊電路等。

2.1 電源電路設(shè)計(jì)

MSP430G2553 單片機(jī)供電電源只需要3.3 V，本設(shè)計(jì)采用性價(jià)比較高的LM1117-3.3 穩(wěn)壓芯片。如圖2所示，在輸入電壓濾波時(shí)采用極性電容C1（47 μF）和非極性電容C2（0.1 μF）并聯(lián)對(duì)其濾波，在輸出電壓濾波時(shí)采用極性電容C3（47 μF）和非極性電容C4（0.1 μF）并聯(lián)對(duì)其濾波.通過這種方式減少高低頻的干擾信號(hào)，使其平穩(wěn)的輸出3.3 V 的穩(wěn)定電壓。

圖2 電源電路

2.2 溫度采集電路

設(shè)計(jì)溫度數(shù)據(jù)采集使用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，該芯片采集的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至單片機(jī)內(nèi)，避免了使用A/D轉(zhuǎn)換專用芯片，從而降低系統(tǒng)功耗。硬件連接電路如圖3所示，R9 是一個(gè)上拉電阻，它連接于單片機(jī)的端口和外部提供的電源VCC 之間，保證測(cè)溫工作正常穩(wěn)定運(yùn)行，溫度參數(shù)經(jīng)DS18B20 傳感器處理后，由DQ 輸出端傳輸?shù)街骺刂破鱌2.3 端口，從而完成鋰電池溫度數(shù)據(jù)的采集工作。

圖3 溫度采集電路

2.3 電壓/電流采集電路

由于MSP430 單片機(jī)最高承受電壓為3.3 V，且其ADC設(shè)計(jì)參考電壓為3.3 V，而鋰電池通常電壓均高于3.3 V，因此直接對(duì)鋰電池電壓進(jìn)行采樣將燒毀單片機(jī)，因此，需要對(duì)鋰電池進(jìn)行分壓設(shè)計(jì)后對(duì)再對(duì)電壓進(jìn)行采樣。硬件電路如圖4所示，BAT+接電池的正極，BAT-接電池的負(fù)極，CA0 接主控制器的2 號(hào)端口，為減少對(duì)電池電量的消耗，本次設(shè)計(jì)分壓電路使用k 歐姆級(jí)電阻，使用兩只10 kΩ 電阻對(duì)電池進(jìn)行分壓，所得電壓為1/2 電池電壓，在單片機(jī)對(duì)電壓進(jìn)行采樣后，計(jì)算時(shí)乘2 即可得到電池電壓，實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)。

圖4 電壓/電流采集電路

電流信號(hào)的采集由采樣電阻與運(yùn)算放大器共同完成。由于ADC 無(wú)法直接對(duì)電流進(jìn)行采樣，需將電流轉(zhuǎn)換為電壓信息后才可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。為了縮小系統(tǒng)整體體積，降低系統(tǒng)功耗，本次設(shè)計(jì)使用0.05 Ω/3 W 的采樣電阻R2 對(duì)電流進(jìn)行采樣，該電阻阻值極小，誤差只有1%，且容許最大電流為8 A，已超過單個(gè)18650 鋰電池電流極限，完全能夠完成采樣工作。通過電流采樣電阻R2 的電壓信號(hào)從A 端進(jìn)入，所采集的電壓信號(hào)從放大器的1 號(hào)引腳輸入，4 號(hào)引腳輸出接到主控制器的3 號(hào)引腳CA1 端口。由于采樣電阻阻值較小，因此，即使大電流流過，其兩端電壓仍然較低，使用ADC直接對(duì)小電壓采樣得出結(jié)果誤差非常大，因此，將采集到的電壓信號(hào)放大一定倍數(shù)之后，再對(duì)其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，從而提高轉(zhuǎn)換精度。本設(shè)計(jì)中，信號(hào)放大倍數(shù)與R4，R5 兩個(gè)電阻阻值相關(guān)，其放大倍數(shù)為1+R4/R5=48 倍。

2.4 防反接過壓過流保護(hù)電路

為了防止過電壓、過電流地對(duì)鋰電池的安全運(yùn)行造成影響，設(shè)計(jì)了電池防反接過壓過流保護(hù)電路，如圖5所示。電池分壓電路防過壓過流采用MOS 管來(lái)控制電路的接通或者斷開，由主控制器分析采集到的電壓信號(hào)，如果工作電壓處于正常范圍，那么就會(huì)給S1端輸出高電平信號(hào)，MOS管導(dǎo)通，整個(gè)電路正常工作；若檢測(cè)出來(lái)的電壓信號(hào)接近或者超過限制的最高電壓值，那么給S1 端一個(gè)低電平信號(hào)，MOS 管關(guān)斷，電路處于斷路，從而達(dá)到了保護(hù)電池的安全目的。

圖5 保護(hù)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)以MSP403 為控制核心，鋰電池電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集與處理，主流程如圖6所示。首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行采集將數(shù)據(jù)送至單片機(jī)處理，處理過的數(shù)據(jù)一方面通過LCD 顯示器顯示，另一方面通過Wi-Fi 無(wú)線數(shù)據(jù)通信可使用手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖6 主流程圖

3.1 信號(hào)采集模塊

電壓/電流信號(hào)是模擬量，需對(duì)其進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，為了降低系統(tǒng)功耗，采用MSP430 內(nèi)部AD 模塊實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，避免使用專用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，且主控制器是16 位處理器，轉(zhuǎn)換精度高，速度快，能夠完成電壓/電流信號(hào)的處理，轉(zhuǎn)換后的電壓/電流信號(hào)經(jīng)主控制器進(jìn)行分析，若瞬時(shí)電壓/電流大于正常工作值，則發(fā)送控制指令，啟動(dòng)保護(hù)電路；溫度采集電路采用數(shù)字DS18B20，無(wú)須A/D 轉(zhuǎn)換，且在處理數(shù)據(jù)時(shí)為高速狀態(tài)，閑暇時(shí)，為低速模式，故進(jìn)一步降低了系統(tǒng)功耗。

3.2 Wi-Fi 聯(lián)網(wǎng)模塊

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控電池狀態(tài)，本設(shè)計(jì)擬采用無(wú)線通信平臺(tái)對(duì)電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。無(wú)線通信平臺(tái)本次設(shè)計(jì)使用一體化物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)——機(jī)智云平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用機(jī)智云平臺(tái)包括網(wǎng)頁(yè)端以及手機(jī)端設(shè)計(jì)，網(wǎng)頁(yè)端需使用開發(fā)者賬號(hào)登錄，手機(jī)端應(yīng)安裝由機(jī)智云提供的手機(jī)端APP，系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟有：

（1）通用APP 的安裝。機(jī)智云通用APP 是為機(jī)智云平臺(tái)上的智能硬件產(chǎn)品提供的通用簡(jiǎn)版APP，依于這個(gè)平臺(tái)用戶可以自己開發(fā)項(xiàng)目軟件，進(jìn)入通用APP 在注冊(cè)完用戶后就會(huì)彈出一個(gè)設(shè)備連接頁(yè)面；（2）ESP8266 機(jī)智云專用固件燒寫。下載機(jī)智云版本ESP8266 專用固后，使用串口調(diào)試器將Wi-Fi 模塊與電腦連接，依據(jù)機(jī)智云手冊(cè)中規(guī)定的設(shè)置進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳的功能。（3）建立產(chǎn)品：Wi-Fi 固件刷新后，需于機(jī)智云端建立產(chǎn)品，產(chǎn)品名稱為鋰電池智能管理系統(tǒng)；（4）建立數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)：本次數(shù)據(jù)共有三組，第一組為電池電壓信息，數(shù)值型數(shù)據(jù)，范圍為0 ～5 V，第二組為電池電流信息，數(shù)值型數(shù)據(jù)，范圍為0 ～10 A，第三組為電池溫度信息，數(shù)值型數(shù)據(jù)，范圍為-55 ℃～125 ℃。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)建立完畢，即可設(shè)置Wi-Fi 端實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的通信。

Wi-Fi 通信程序流程設(shè)計(jì)如圖7所示，首先連接機(jī)智云服務(wù)器，并等待服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)，完成后，發(fā)送簡(jiǎn)歷產(chǎn)品時(shí)生成的PK 碼與密鑰，該產(chǎn)品碼以及密鑰唯一，密鑰為通信加密密碼，十分重要。服務(wù)器確認(rèn)產(chǎn)品后，系統(tǒng)可依次發(fā)送電壓，電流，溫度信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳，上傳完成后，可繼續(xù)發(fā)送下一幀數(shù)據(jù)，無(wú)須重復(fù)發(fā)送PK 碼以及密鑰匙。

圖7 Wi-Fi 通信程序

通過對(duì)服務(wù)器端以及系統(tǒng)端設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上傳的功能，從而對(duì)鋰電池工作狀態(tài)在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)上述硬件設(shè)計(jì)和軟件搭建測(cè)試平臺(tái)，系統(tǒng)上電后，分別登錄手機(jī)APP 以及服務(wù)器端，裝入待監(jiān)控鋰電池，由系統(tǒng)測(cè)試待監(jiān)控鋰電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)，檢測(cè)結(jié)果如表1所示，其中，鋰電池電壓為，電流為，溫度為。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)鋰電池的電壓/電流/溫度等各項(xiàng)狀況。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)以MSP430 為控制中心，對(duì)鋰電池電壓/電流/溫度參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)，并設(shè)計(jì)鋰電池過電壓、過電流防反接保護(hù)電路，通過Wi-Fi 通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)程便攜式監(jiān)測(cè)，即可電腦終端監(jiān)測(cè)，又可手機(jī)APP 隨時(shí)隨地便攜式的監(jiān)測(cè)。且系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用低功耗主控制器MSP430、使用內(nèi)嵌A/D 轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字溫度傳感器、系統(tǒng)間歇式工作方式等多種方法降低系統(tǒng)功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、成本低、監(jiān)測(cè)便攜等特點(diǎn)，對(duì)鋰電池的安全運(yùn)行及應(yīng)用推廣都具有很好的參考意義。