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引言
鋰電池由于具有體積小、質量輕、電壓高、功率大、自放電少以及使用壽命長等優點，逐漸成為動力電池的主流。但是由于鋰離子電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，因此在應用時需要進行一定的管理。另外鋰電池對充放電的要求很高，當出現過充電、過放電、放電電流過大或電路短路時，會使鋰電池溫度上升，嚴重破壞鋰電池性能，導致電池壽命縮短。當鋰電池串聯使用于動力設備中時，由于各單節鋰電池間內部特性的不一致，會導致各節鋰電池充、放電的不一致。一節性能惡化時，整個電池組的行為特征都會受到此電池的限制，降低整體電池組性能。為使鋰電池組能夠最大程度地發揮其優越性能，延長使用壽命，必須要對鋰電池在充、放電時進行實時監控，提供過壓、過流、溫度保護和電池間能量均衡。
本文設計的動力鋰電池組管理系統安裝在鋰電池組的內部，以單片機為控制核心，在實現對各節鋰電池能量均衡的同時，還可以實現過充、過放、過流、溫度保護及短路保護。通過LCD顯示電池組的各種狀態，并可以通過預留的通信端口讀取各節鋰電池的歷史性能狀態。
系統總體方案設計
動力鋰電池智能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。系統框圖如圖1所示。
圖1 管理系統結構框圖
整個系統以單片機為主控制器，通過采集電流信息，判斷出電池組是在充電、放電還是在閑置狀態及是否有過流現象，并對其狀態做出相應處理。對各節電池電壓進行采集分析后，系統決定是否啟動均衡模塊對整個電池組進行能量均衡，同時判斷是否有過充或過放現象。溫度的采集主要用于系統的過溫保護。整個系統的工作狀態、電流、各節電壓、剩余電量及溫度信息都會通過液晶顯示模塊實時顯示。下面對其各個模塊的實現方法進行介紹。
微控制器 ATmega8
本系統采用的微控制器是美國ATMEL公司推出的一種高性能8位單片機ATmega8。該單片機具備AVR高檔單片機系列的全部性能和特點，支持在線編程(ISP)，只需要一條可自制的下載線就可以進行單片機系統的開發。其中ATmega8單片機有6路A/D轉換通道，其中有4路為10位精度，在設計中可直接用于電池電壓的測量。ATmega8的各項性能使其成為適應性強、靈活性高、成本低的嵌入式高效微控制器， 特別適合在開發階段使用。
充電控制模塊原理與實現
鋰電池常規充電法是按預充、恒流、恒壓三個階段進行的，時序圖如圖2所示。
圖2 常規充電法時序圖
由于管理系統是隨電池組一起放在電池箱內，且充電器是外置的，因此如果增加通信接口和外接充電器形成閉環控制，就會使該管理系統的通用性降低。為實現高通用性，使管理系統和外部的充電器單獨工作，本電池管理系統采用間歇式充電法，如圖3所示。
圖3 間歇式充電法時序圖
間歇式充電法是在預充和保持階段通過間歇地打開和關閉充電回路，等效地改變充電電流的大小，進而實現在預充和保持狀態時需要小電流、在正常充電時需要大電流的的性能要求。
在對帶有管理系統的電池組進行充電時，需要外接與之匹配的恒壓電源充電器，對其恒壓值U的要求為：U=4.2V×N+損耗電壓，其中N為電池節數。
限流值為該動力鋰電池的常規充電電流0.3C(C為電池容量)，在進行充電前必須先進行系統的初始化，然后按照間歇式充電法對電池組自動充電。?
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電壓采樣模塊原理與實現??
鋰離子電池在充電時要求其端電壓控制在4.2V以下，為防止過充損壞電池，要求必須在充電時實時檢測各單節鋰電池電壓。管理系統采用圖4所示的電壓采樣檢測方案。其工作原理是：首先把單刀雙擲開關K1、K2向上打到電壓測量檔，并通過MCU控制的多路開關Kn-1、Kn-2 (n=1、2、3、4、5、6、7)，同步地將電容分別接到各單節電池兩端，使電容充電至電容電壓等于被測單節電池的電壓；然后斷開MCU控制的多路開關Kn-1、Kn-2，同時合上開關K3和K4接入A/D轉換器進行測量。該方案可直接使用微處理器內的10位A/D轉換器，不需要另外加入A/D芯片，節省了設計成本。實際電路中的模擬開關采用繼電器實現。
均衡模塊原理與設計
動力電池組是由多個單節電池串聯組成的電池模塊，由于電池個體之間內部特性的差異，若干次充、放電后，電池組會失衡，嚴重影響動力電池組的效率與安全。另外，電池組在充放電過程中的過充電、過放電、電流過大、溫度過高等現象會加劇電池間特性的差異，從而引起單節鋰電池之間容量、電壓等性能的不平衡，最終導致電池組整體特性的急劇衰退和部分電池的加速損壞。因此在鋰電池組合使用時必須要解決各個單節電池在電池組中的平衡問題。
電池組中各節電池電量的均衡可采用電阻均衡、電容均衡、變壓器均衡等多種方案。由于本管理系統是針對大容量的動力鋰電池組，若采用電阻均衡，均衡速度快但將會有過多的能量白白浪費掉；電容均衡雖然不額外耗能，但是均衡電流一般較小，很難勝任動力鋰電池之間的均衡。故本均衡模塊采用兼顧效率和速度的變壓器均衡方案。在具體設計中直接采用DC/DC開關電源模塊。由于開關電源模塊具有功耗小、效率高、體積小、質量輕等優點，將其直接作為均衡模塊使用是一個很好的選擇。在具體使用時，根據檢測到的各單節電池的電壓值判斷是否需要對電池組進行能量均衡。若需要，閉合均衡總開關K5，開關K1、K2向下打到均衡檔，用電池組的整體能量對電壓最低節電池進行額外的均衡充電，直到各節電池電壓值的差別在系統要求范圍之內。原理圖如圖4所示。
圖4 電壓采樣、均衡充電原理圖
電流采樣的實現
電流是電池容量估計的關鍵參數，因此對電流采樣的精度、抗干擾能力和線性度誤差的要求都很高。在本設計中采用LEM公司的閉環電流傳感器LTSR25-NP，如圖5所示，
圖5 LTSR25-NP實物圖
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換為0V~5V的電壓信號，送至單片機的10位A/D轉換器進行轉換后可測得充放電電流，測量精度為0.2A。其工作特性曲線如圖6所示。
圖6 電流傳感器LTSR25-NP 工作特性曲線
圖中以VREF為參考點電壓，默認為2.5V，IP為被測量電流。
溫度采樣的實現
電池管理系統中的溫度檢測采用的是美國DALLAS半導體公司生產的數字溫度傳感器DS18B20。它是單片結構，無需外加A/D轉換器即可輸出9~12位的數字量。通信采用單總線協議，對DS18B20的各種操作通過一條數據線即可完成。因為每個DS18B20都含有唯一的序列碼，使每條總線上可同時連接多個DS18B20，這就使得DS18B20連線簡單，系統設計靈活，適合用于多點測溫系統，特別是與單片機合用構成的溫度檢測與控制系統。
顯示模塊的實現
LCD顯示選用DM12864M漢字圖形點陣液晶顯示模塊。該模塊可顯示漢字及圖形，內置8192個中文漢字(16×16點陣)、128個字符(8×16點陣)及64×256點陣顯示RAM。主要技術參數和顯示特性如下：
電源VDD：3.3V~5V(內置升壓電路，無需負壓)；
顯示內容：128列×64行；
LCD類型：STN；
與MCU的接口：8位或4位并行/3位串行；
多種軟件功能：光標顯示、畫面移位、自定義字符、睡眠模式等。
本系統使用串行接口，通過液晶模塊可顯示電池組總電壓、各單節電池電壓、充放電電流、充放電時間、工作溫度以及剩余電量等。
數據存儲通信模塊的實現?
鋰電池管理系統在鋰電池充放電過程中把充放電信息，包括各節電池的電壓、充放電電流、工作溫度、電池電量等通過采樣實時寫入Flash存儲芯片SST25VF020中保存。在需要時，可通過串口與上位PC機通信把存儲在Flash中的歷史數據讀到PC上。
SST25VF020是SST25VF系列Flash存儲芯片。其芯片具有以下特點：總容量為2M；單電源讀和寫操作，工作電壓為2.7V~3.3V；低功耗，工作電流為7mA，等待電流為3μA；時鐘頻率高達33MHz；數據可保存100年；其封裝為SOIC和小尺寸的WSON封裝。實際應用電路如圖7所示。
圖7? FLASH存儲器電路原理圖
軟件設計
該系統的軟件設計采用單片機C語言完成，主要包括單體電壓測量程序、電流檢測程序、溫度檢測程序、能量均衡程序、充電管理程序、LCD顯示程序及數據存儲通信程序等幾個程序模塊。其主流程圖如圖8所示。
圖8 主流程圖
電壓測量程序
通過單片機的10位A/D轉換模塊測量單節電池的電壓值。為了提高測量的精度，軟件采用“篩值平均”的軟件濾波方法。在對每節電池的模擬量進行測量時，連續測量多次，然后篩去最高值和最低值，再對剩余的測量值取平均值，以獲得最佳的測量結果。然后根據電壓的計算方式，獲得電池的電壓。在電壓測量完成后，運行“冒泡排序”的程序，對所有的電池電壓進行排序，標記出最低、最高電池，為均衡模塊服務。
充電管理程序
通過檢測到的單節電池電壓判斷電池所處的充電階段，并利用單片機的脈寬調制輸出(PWM)來控制MOSFET以實現預充階段的小電流充電和保持充電階段的脈沖充電。當檢測到電池充電完畢后，自動斷開充電回路。充電管理模塊通過檢測到的電壓、電流、溫度值判斷電池是否工作在正常狀態，如出現過壓、過流或溫度過高等現象，立刻通過MOSFET關閉充放電回路，并點亮故障提示燈。
結語?
本設計為動力鋰電池組提供了智能管理系統，通過該系統為電池組提供了各種保護及能量均衡控制，最大限度地發揮了鋰電池組的整體性能。開發出的樣機通過在7節50AH串聯雷天鋰電池組上試驗，實現最大均衡電流為2.5A，均衡效率為80%左右，性能完全滿足動力鋰電池組能量均衡的要求，具有很好的應用前景和推廣價值。
參考文獻
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