基于單片機控制的電動車鋰電池組設計

隨著電動自行車的逐漸普及，電動自行車的主要能源---鋰電池也成為眾人關心的焦點。 鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，因其能量密度高，對充放電要求很高。 當過充、過放、過流及短路保護等情況發(fā)生時，鋰電池內(nèi)的壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生爆炸，因此通常都會在電池包內(nèi)加保護電路，用以提高鋰電池的使用壽命。 針對目前電動車鋰電池組所用的保護電路大多都由分立原件構成，存在控制精度不夠高、技術指標低、不能有效保護鋰電池組等特點，本文中提出一種基于單片機的電動車36 V鋰電池組（由10節(jié)3. 6 V鋰電池串聯(lián)而成）保護電路設計方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 單片機作為檢測和控制核心，用由MC34063構成的DC /DC變換控制電路為整個保護電路提供穩(wěn)壓電源，輔以LM60 測溫、MOS管IRF530N作充放電控制開關，實現(xiàn)對整個電池組和單個電池的狀態(tài)監(jiān)控和保護功能，達到延長電池使用壽命的目的。

　　1 保護電路硬件設計

　　本系統(tǒng)以單片機為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，將任務設計分解為電壓測量、電流測量、溫度測量、開關控制、電源、均衡充電等功能模塊。 系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

　　電池組電壓、電流、溫度等信息通過電壓采樣、電流采樣和溫度測量電路，加到信號采集部分的A /D輸入端。 A /D模塊將輸入的模擬信號轉換為數(shù)字信號，并傳輸給單片機。 單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實時監(jiān)控電池組的各項性能指標和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅動大功率開關。 由于使用了單片機，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實現(xiàn)各種復雜控制，從而能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展和性能改進。

　　1. 1 ATmega16 L單片機模塊

　　從低功耗、低成本設計角度出發(fā)，單片機模塊采用高性能、低功耗的ATmega16 L單片機作為檢測與控制核心。 ATmega16 L 是基于增強的AVRR ISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，內(nèi)部帶有16 k 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash, 512 字節(jié)EEPROM, 1 k字節(jié)SRAM, 32個通用I/O口線， 32個通用工作寄存器（用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程） , 3個具有比較模式的靈活定時器/計數(shù)器（ T/C） （片內(nèi)/外中斷） ,可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口， 8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（ TQFP封裝）的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SP I串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 L的數(shù)據(jù)吞吐率高達1M IPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。

　　單片機的輸入輸出設計如圖2所示。 由電源部分降壓、穩(wěn)壓得到的3. 3 V電壓通過端口10為單片機提供工作電壓；端口12和13為反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機提供工作晶振；端口30是端口A與A /D轉換器的電源，使用ADC時通過一個低通濾波器與端口10的VCC連接；端口37,38的ADC3, ADC2是經(jīng)過轉換后待檢測的電壓、電流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是經(jīng)過溫度傳感器轉換后的溫控電壓值。

圖2 單片機的外圍電路設計

　　1. 2 穩(wěn)壓電源模塊

　　穩(wěn)壓電源是單片機系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術指標和抗干擾性能。 ATmega16 L單片機的工作電壓為2. 7~5. 5 V,為保證單片機穩(wěn)定的工作電壓為3. 3 V. 穩(wěn)壓部分是由MC34063構成的DC /DC變換控制電路，從電池組分出的25 V電壓經(jīng)過電路降壓、穩(wěn)壓，輸出3. 3 V,供保護電路工作，其電路如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電源模塊電路

　　1. 3 充電均衡模塊

　　采用模擬電路方案。 即在每節(jié)電池的外部搭建過壓保護電路，充電過程中當電壓超過預定值時，保護電路自動閉合，使電池通過電阻回路放電，以保護電池不會過度充電。 當電池電壓減小到均衡充電動作電壓4. 18 V時，保護電路自動斷開。