隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展確保電池組在安全范圍內(nèi)運(yùn)行

引言

隨著鋰離子電池技術(shù)的飛速發(fā)展，其在便攜式電子設(shè)備、電動(dòng)汽車、空間技術(shù)、國(guó)防工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，由若干節(jié)鋰離子電池串聯(lián)組成的動(dòng)力鋰離子電池組成為了這些領(lǐng)域的核心能源。然而，每節(jié)單體電池的電壓可能不一致，使用中不允許過(guò)充電或過(guò)放電，且電池性能受溫度影響較大，這使得對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組的監(jiān)測(cè)變得尤為重要。本文旨在介紹一種基于單片機(jī)的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)單體電池電壓和電池組溫度，確保電池組在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

本系統(tǒng)以51系列單片機(jī)為主控單元，通過(guò)差分放大器、模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及溫度傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和溫度的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，具有較高的精度和可靠性。整體系統(tǒng)由核心控制模塊、狀態(tài)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、報(bào)警及處理系統(tǒng)模塊組成，可通過(guò)RS485接口與PC機(jī)組成分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)PC機(jī)監(jiān)測(cè)多個(gè)串聯(lián)電池組。

核心控制模塊

核心控制模塊采用51系列單片機(jī)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)通過(guò)接收來(lái)自狀態(tài)采集模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，當(dāng)檢測(cè)到單體電池電壓或電池組溫度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警程序，并通過(guò)控制策略如風(fēng)扇冷卻或加熱電路，確保電池組正常工作。

狀態(tài)采集模塊

狀態(tài)采集模塊主要負(fù)責(zé)單體電池電壓和電池組溫度的采集。電壓采集部分采用差分放大器INA117，該器件具有高共模抑制比和低失真特性，適用于高精度的電壓測(cè)量。由于串聯(lián)電池組的共地問(wèn)題，設(shè)計(jì)中通過(guò)合理布局，使各INA117的1腳共地，確保信號(hào)的準(zhǔn)確傳輸。通過(guò)多選一模擬開(kāi)關(guān)MUX16，將16節(jié)鋰離子電池的單體電壓依次送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。

溫度采集部分采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度傳感器，該傳感器具有測(cè)溫范圍廣、精度高、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片DS18B20，設(shè)置8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組溫度的全面監(jiān)測(cè)。

信號(hào)調(diào)理模塊

信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對(duì)采集到的電壓和溫度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電壓信號(hào)通過(guò)INA117差分放大后，直接接入MUX16模擬開(kāi)關(guān)，通過(guò)單片機(jī)的控制信號(hào)，選擇對(duì)應(yīng)的單體電池電壓進(jìn)行采樣。溫度信號(hào)則直接由DS18B20轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)單總線與單片機(jī)通信。

報(bào)警及處理系統(tǒng)模塊

當(dāng)單體電池電壓或電池組溫度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，報(bào)警及處理系統(tǒng)模塊啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警程序，進(jìn)行聲、光報(bào)警，并通過(guò)控制策略如風(fēng)扇冷卻或加熱電路，調(diào)整電池組工作環(huán)境，確保電池組安全。同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)故障分析和維護(hù)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件部分主要包括單片機(jī)、INA117差分放大器、MUX16模擬開(kāi)關(guān)、MAX1272 A/D轉(zhuǎn)換器、DS18B20溫度傳感器、風(fēng)扇控制電路等。通過(guò)合理的電路設(shè)計(jì)和PCB布局，實(shí)現(xiàn)了各模塊之間的穩(wěn)定連接和信號(hào)傳輸。

軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件部分采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、報(bào)警處理程序和通信程序等。初始化程序負(fù)責(zé)設(shè)置單片機(jī)的IO口、定時(shí)器、中斷等;數(shù)據(jù)采集程序負(fù)責(zé)控制MUX16和DS18B20進(jìn)行電壓和溫度數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、校準(zhǔn)等處理;報(bào)警處理程序負(fù)責(zé)判斷數(shù)據(jù)是否超出預(yù)設(shè)范圍，并啟動(dòng)相應(yīng)的報(bào)警和控制策略;通信程序負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)RS485接口傳輸給PC機(jī)。

系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試包括單元測(cè)試、集成測(cè)試和系統(tǒng)測(cè)試三個(gè)階段。單元測(cè)試主要對(duì)各模塊進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，驗(yàn)證其功能是否正常;集成測(cè)試則將各模塊連接在一起，測(cè)試各模塊之間的通信和協(xié)作能力;系統(tǒng)測(cè)試則對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的整體性能和可靠性。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠可靠、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和溫度，并在異常情況下及時(shí)報(bào)警和處理。

結(jié)論

本文介紹了一種基于單片機(jī)的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)采用差分放大器、模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及溫度傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單體電池電壓和電池組溫度的在線監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、精度高和可靠性高的特點(diǎn)，能夠確保串聯(lián)鋰離子電池組在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，延長(zhǎng)其使用壽命。隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。