新型電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

摘要：電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展有助于緩解能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題，針對(duì)目前鋰電池被逐漸應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)上，提出了一種基于OZ8940芯片的電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)包括電壓、電流、溫度采集電路，均衡電路，MCU主控電路，I2 C通信電路，CAN通信電路，顯示單元。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和保護(hù)的功能。

電動(dòng)汽車(chē)的使用有助于保護(hù)環(huán)境和解決能源短缺問(wèn)題。電池組作為電動(dòng)汽車(chē)的能源，其正常地工作是安全行駛的重要保證，因此，對(duì)電池組工作狀態(tài)的管理顯得尤其重要。近年來(lái)，對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究也越來(lái)越受到重視。電池管理系統(tǒng)的職能是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組狀態(tài)，實(shí)施必要的管理和保護(hù)措施，以提高電池組的利用率，確保電池組工作的安全可靠，進(jìn)而確保行車(chē)安全。

1 系統(tǒng)基本功能介紹

設(shè)計(jì)的鋰電池管理系統(tǒng)采用電池監(jiān)測(cè)芯片對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池的電壓、電流、溫度等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采集到的電壓、電流、溫度等信息經(jīng)過(guò)微處理器處理后，相應(yīng)的信息顯示在顯示屏上。如果電池狀態(tài)信息超出正常范圍，系統(tǒng)自動(dòng)切斷充放電回路并報(bào)警。均衡電路的應(yīng)用，延長(zhǎng)了電池組的使用壽命。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電池管理系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用O2Micro公司的OZ8940芯片作為電池信息的采集芯片。OZ8940是一款低功耗芯片，工作時(shí)電流小于500μA,休眠模式下小于50μA.可支持6~12節(jié)串聯(lián)電池的信息測(cè)量，總的電壓測(cè)量范圍為9~60 V.內(nèi)部包括12路的12位電壓采集ADC,分辨率2.44 mV.1路片內(nèi)溫度采集ADC,精度為12位，2路片外溫度采集ADC,精度為12位，分辨率1.22mV.OZ8940可提供兩級(jí)保護(hù)功能，第一級(jí)保護(hù)包括過(guò)電壓、過(guò)電流、過(guò)溫度等保護(hù)。第二級(jí)保護(hù)是永久性外部極高過(guò)電壓故障的保護(hù)。此外，OZ8940支持內(nèi)部均衡與外部均衡兩種均衡方式。均衡技術(shù)的應(yīng)用，使得電池組特性在充電時(shí)保持了良好的一致性，這有助于延長(zhǎng)電池組的使用壽命。OZ8940通過(guò)I2 C接口與MCU進(jìn)行通信。

2.1 單體電池電壓監(jiān)測(cè)

如圖2所示，12節(jié)單體電池串聯(lián)構(gòu)成電池組，從每一節(jié)電池的正負(fù)極引出接線端子，單體電池的輸入電壓范圍為-0.5 V~8 V.接線端子經(jīng)過(guò)RC低通電路后引入到OZ8940的BAT端口，作為電池電壓的輸入端。RC低通電路可以消除信號(hào)中的高頻干擾。在OZ8940中通過(guò)一個(gè)多路選擇器分別將這12路電壓信號(hào)引入到內(nèi)部12位精度的ADC中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送至內(nèi)部邏輯，經(jīng)過(guò)I2C接口與MCU通信。

圖2 電壓采集。

2.2 電流監(jiān)測(cè)

采用霍爾電流傳感器對(duì)電池組充放電電流進(jìn)行采集，如圖1中電流采集部分所示。采集到的信息送至MCU進(jìn)行處理。

2.3 溫度監(jiān)測(cè)

OZ8940內(nèi)部集成了一個(gè)溫度傳感器。片內(nèi)溫度每升高1℃，內(nèi)部溫度傳感器輸出電壓增加2.0976mV.內(nèi)部溫度傳感器輸出的電壓量會(huì)有一定的偏差，這個(gè)偏差量可以通過(guò)片內(nèi)EEPROM 中INTREF11~INTREF0位在軟件上進(jìn)行補(bǔ)償。

此外，通過(guò)使用OZ8940的GPIO1和GPIO2兩個(gè)端口可以采集片外溫度信息。如圖3所示，RT1和RT2是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，即隨著溫度的升高，其阻值會(huì)降低。GPIO0端口提供3.3 V的電壓，GPIO1和GPIO2 分別獲得兩路電壓值。端口GPIO1 和GPIO1采樣電壓輸入大小分別如式（1）和（2）。

UT1和UT2經(jīng)過(guò)片內(nèi)的一個(gè)多路選擇器送至內(nèi)部精度為12位的ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3 溫度采集

2.4 均衡電路

電池組在充電過(guò)程或者空閑狀態(tài)時(shí)，當(dāng)滿足單體電池電壓高于在片內(nèi)EEPROM 預(yù)先設(shè)置好的門(mén)限值，且單體電池電壓互差（最高電池電壓與最低電池電壓之差）大于預(yù)先設(shè)置的門(mén)限值（精度可以設(shè)置為9.76mV~39 mV），則三極管T導(dǎo)通，均衡電路[2]開(kāi)始工作。三極管T和電阻RB為單體電池提供了一個(gè)放電回路，使得電池的工作狀態(tài)保持了良好的一致性，延長(zhǎng)了電池組的使用壽命。值得注意的是，在均衡期間，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)溫度或者過(guò)電流等保護(hù)事件時(shí)，均衡電路停止工作，這是由OZ8940內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的。

均衡電路原理圖如圖4所示。

圖4 均衡電路原理圖。

2.5 保護(hù)措施

2.5.1 過(guò)電流保護(hù)

OZ8940內(nèi)部集成了一個(gè)過(guò)電流監(jiān)測(cè)器，它可以監(jiān)測(cè)充放電電流的大小。預(yù)先在片內(nèi)EEPROM 設(shè)定了過(guò)電流門(mén)限值，如果電流高于門(mén)限值，則系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲后自動(dòng)切斷充放電回路。OZ8940在休眠模式下，OZ8940的電流保護(hù)失效。實(shí)驗(yàn)中采用霍爾電流傳感器監(jiān)測(cè)電流大小。

2.5.2 過(guò)電壓和低電壓保護(hù)

OZ8940片內(nèi)集成了一個(gè)過(guò)電壓和低電壓監(jiān)測(cè)器。采集到的電池電壓信息與EEPROM 中設(shè)置的電壓門(mén)限值相比較，在充電過(guò)程中如果超出了高電壓門(mén)限值，則系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲后，自動(dòng)切斷充電回路。在放電過(guò)程中如果超出了低電壓門(mén)限值，則系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲，自動(dòng)切斷放電回路。這兩個(gè)時(shí)間延遲均可在EEPROM 中預(yù)先設(shè)置。OZ8940在休眠模式下，過(guò)電壓和低電壓保護(hù)不工作。此外，當(dāng)過(guò)電壓保護(hù)失效時(shí)，OZ8940會(huì)啟動(dòng)第二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)功能。即當(dāng)過(guò)電壓超過(guò)門(mén)限值并且存在8個(gè)ADC掃描周期時(shí)，OZ8940通過(guò)OVPF引腳發(fā)出一個(gè)PF信號(hào)給MCU,由MCU來(lái)控制切斷充電回路。

2.5.3 高、低溫保護(hù)

溫度保護(hù)功能是暫時(shí)切斷充電或者放電回路，當(dāng)溫度恢復(fù)正常后，則閉合充電或者放電回路。溫度保護(hù)的工作原理同樣是將內(nèi)部溫度傳感器，或者是將由外部溫度采集電路得到的溫度信息，與OZ8940內(nèi)部的高、低溫門(mén)限值相比較，當(dāng)超過(guò)門(mén)限值時(shí)則啟動(dòng)保護(hù)功能。在電池充放電狀態(tài)或者閑置狀態(tài)下，觸發(fā)了高溫保護(hù)功能，系統(tǒng)會(huì)同時(shí)切斷充電回路和放電回路。

低溫保護(hù)功能的觸發(fā)發(fā)生在放電狀態(tài)或者閑置狀態(tài)下，此時(shí)系統(tǒng)僅切斷放電回路。同樣，OZ8940在休眠模式下，高、低溫保護(hù)失效。

2.6 電池組信息的處理與顯示

如圖5所示，OZ8940通過(guò)I2 C接口與STC單片機(jī)（MCU）進(jìn)行通信，它們之間通過(guò)光耦隔離有效地將OZ8940的高壓側(cè)與STC單片機(jī)的低壓側(cè)進(jìn)行了隔離。采集到的電壓信息送至STC單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)CAN[3]總線送至顯示器顯示。在汽車(chē)運(yùn)行這樣一個(gè)高溫、震動(dòng)及電磁輻射強(qiáng)度高的惡劣環(huán)境下，CAN總線因其良好的檢錯(cuò)能力和高可靠性被廣泛應(yīng)用。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車(chē)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。通過(guò)單片機(jī)P1.0端口和一個(gè)MOSFET管，可以使充電回路中的一個(gè)熔斷器熔斷，起到了切斷充電回路的作用。即單片機(jī)收到OVPF端口產(chǎn)生的一個(gè)PF信號(hào)后，可由P1.0端口控制一個(gè)MOSFET管導(dǎo)通，使得回路熔斷器斷路，進(jìn)而與OZ8940的第二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)功能相配合，起到了保護(hù)系統(tǒng)的作用。

圖5 系統(tǒng)通信與顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

STC單片機(jī)上電后配置各個(gè)寄存器，以及對(duì)OZ8940發(fā)送控制字命令，完成初始化。系統(tǒng)每隔500ms定時(shí)啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，讀取電池組電壓、電流、溫度等信息，計(jì)算電池剩余容量，然后送至顯示器進(jìn)行顯示。

當(dāng)這些信息超出用戶設(shè)定的門(mén)限值時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)第二級(jí)過(guò)電壓保護(hù)功能時(shí)，OZ8940發(fā)送一個(gè)PF信號(hào)給STC單片機(jī)，單片機(jī)收到這個(gè)信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷，在中斷服務(wù)程序里，通過(guò)P1.0口控制外部MOSFET管導(dǎo)通，熔斷回路熔斷器，并啟動(dòng)報(bào)警告知用戶。OZ8940將采集到的單體電壓值進(jìn)行處理，與預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值進(jìn)行比較，當(dāng)滿足均衡條件時(shí)，均衡電路開(kāi)始工作。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 電池管理系統(tǒng)軟件流程。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

實(shí)驗(yàn)時(shí)采用12節(jié)40 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)構(gòu)成電池組。列舉一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

設(shè)計(jì)的電動(dòng)汽車(chē)鋰電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組電壓、電流、溫度、剩余電量等信息的監(jiān)測(cè)（見(jiàn)表1,表2,表3），單體電壓誤差小于10 mV.過(guò)電壓、過(guò)電流和溫度保護(hù)的應(yīng)用使得電動(dòng)汽車(chē)在實(shí)際運(yùn)行中更加安全可靠。I2C通信和CAN 總線通信簡(jiǎn)單可靠。均衡電路的應(yīng)用有助于延長(zhǎng)電池組的使用壽命。系統(tǒng)具有簡(jiǎn)明可靠、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是可行的。

表1 單體電池電壓采集

表2 電流及溫度采集

表3 鋰電池管理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置