鋰電池管理系統的研究與實現 ― 鋰電池管理系統的硬件實現

硬件的設計必須要實現對動力電池組的合理管理，首先必須保證采集數據的準確性;其次是可靠穩定的系統控制;最后非常重要的是抗干擾性。在具體實現過程中，根據設計要求決定需要采集動力電池組的數據類型;根據采集量以及精度要求決定硬件的設計。

本文設計的鋰電池管理系統控制板附在鋰電池組上，由鋰電池組供電，作為在線管理系統實現實時管理功能基本功能如下：

1.電池信息實時采集及顯示，包括單體電壓、電池組總電壓、溫度、充放電電流;

2.剩余電量估計功能及顯示;

3. 8節鋰電池充/放電智能管理，當電池電壓、充放電電流、電池溫度和剩余容量過低或過高時，發送報警信號;

4.在充、放電過程中對單體電池進行均衡和診斷;

5.故障電池智能檢測/報警;

6.存儲鋰電池的充放電信息，可與上位機通信，在上位機檢查鋰電池的使用過程。

3.1鋰電池管理系統的硬件結構

本鋰電池管理系統主要由充電模塊、數據采集模塊(包括電壓，電流，溫度數據采集)、均衡模塊、電量計算模塊、數據顯示模塊和存儲通信模塊組成。系統框圖如下：

其中數據采集模塊負責采集電池的各種狀態參數，如電流、電壓、溫度;充電控制模塊按預充、恒流充電和恒壓充電三個階段進行自動充電，并根據采集的數據對充放電過程進行控制;均衡模塊在適當的時候通過15W的開關電源對單個電池進行均衡充電，使電池組中的電池更加均衡一致;電量估測單元主要是分析采集過來的狀態參數并根據研究試驗得出的電量估測算法，對電池的當前電量進行估測;數據顯示單元采用圖文液晶顯示屏，可顯示各節電池電壓，充放電電流，剩余電量，電池溫度和充電時間;存儲通信單元通過存儲芯片定時把充放電信息(電壓，電流，充放電時間等)存儲起來，可通過串口與電腦通信，在電腦上顯示充放電信息。

3.2 ATMEGA8L處理器簡介

ATMEGA8L是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機，它在吸收了PIC及8051單片機優點的基礎上，做出了重大的改進，速度快，性價比高，能在線編程，在一個芯片內將增強性能的RISC 8位CPU與可下載的FLASH相結合使其成為適合于許多要求、具有高度靈活性和低成本的嵌入式高效微控制器。它具有以下特性：

● 高性能、低功耗的8位AVR微處理器

● 先進的RISC結構

- 130條指令——大多數指令執行時間為單個時鐘周期

- 32個8位通用工作寄存器-全靜態工作

- 工作于16 MHz時性能高達16MIPS

- 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器

● 非易失性程序和數據存儲器

- 8K字節的系統內可編程Flash，擦寫壽命：10，000次

- 具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區通過片上Boot程序實現系統內編程，真正的同時讀寫操作

- 512字節的EEPROM擦寫，壽命：100，000次

- 1K字節的片內SRAM -可以對鎖定位進行編程以實現用戶程序的加密

● 外設特點

- 兩個具有獨立預分頻器8位定時器/計數器，其中之一有比較功能

- 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數器

- 具有獨立振蕩器的實時計數器RTC

- 三通道PWM - TQFP與MLF封裝的8路ADC10位ADC

- PDIP封裝的6路ADC10位ADC

- 面向字節的兩線接口-兩個可編程的串行USART

- 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口

- 具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器

- 片內模擬比較器

● 特殊的處理器特點

- 上電復位以及可編程的掉電檢測

- 片內經過標定的RC振蕩器

- 片內/片外中斷源-

5種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式及Standby模式

3.3采樣模塊電路設計

3.3.1電壓采樣的實現

鋰離子電池在充電時為防止過充損壞電池，要求其端電壓嚴格控制在4.2 V以下，本電池管理系統采用圖3-1所示電壓檢測方案。

其工作原理是：

首先MCU控制的多路開關Kn-1、Kn-2(n=1，2，3，4，5，6，7)，同步地將電容分別的接到各單元電池兩端，使電容充電且使電容電壓等于被測單元電池的電壓;然后MCU控制多路開關n1 K、n2 K斷開，同時合上開關K1和K2接入A/D進行測量。此方案可直接使用微處理器內的10位共地A/D，不需要另外單獨加入A/D，節省了設計成本[4]。在實際電路中模擬開關采用繼電器實現。

3.3.2電流采樣的實現

電流是電池容量估計的關鍵參數。因此對其電流的采樣的精度，抗干擾能力，零飄、溫飄和線性度誤差的要求都很高。在實際中采用LEM公司的閉環電流傳感器LTSR25-NP，該元件具有出色的精度、良好的線性度和最佳的反應時間。其額定電流為25A，最高可測80A的電流，滿足系統設計的要求。該電流傳感器可把充放電電流轉為0-5V的電壓信號，送至單片機的A/D轉換可測得充放電電流。其工作原理如圖3-3所示：

其工作特性曲線如圖3-4所示：

圖中VREF為參考點電壓，默認為2.5V;IP為被測量電流。