|
目前，鋰離子蓄電池組作為一種新能源，與傳統的以鎳隔，鎳氫電池為儲能核心的電源系統相比，存在以下問題： ⑴串聯電池組由于各單體之間容量的差異引起的充電放電過程的不均衡。 ⑵由于過充電，過放電，過電流或高溫而引起的電池失效問題。 針對以上兩個問題，提出以下設計目標： ⑴對鋰離子電池組，實現充放電時電池之間的均衡，做到各單體電池之間電壓與其平均電壓的差不超過0.2V，實現充放電時對電池的保護。 ⑵設計充放電控制電路，實現對鋰離子電池組過充、過放以及短路保護。 3.1系統硬件總體結構 根據以上設計目標，系統總體方案框圖如圖3.1所示。本系統采用TI公司的MSP430F233為控制核心，包括電壓、電流和溫度采樣電路、鋰電池組的過充、過放、短路保護電路和均衡電路、串口通信電路以及相關外圍電路等。 鋰電池組在充放電的過程中，系統的信號檢測電路實時地對電壓、溫度、電流等參數進行采集，同時采樣到的信號送入AD轉換器，經過A/D轉換后的數據送入處理器，處理器讀取轉換結果后，將轉換結果與系統預設的參數值進行比較，判斷是否出現過壓、過放或短路現象，以決定是否啟動相應的保護措施。同時，根據需要，單片機可實時上傳采集到的電壓、電流、溫度等參數給上位機，由上 位機處理后進行顯示和存儲。另外，上位機系統還可通過串口給單片機系統設置相關的系統參數和數據校正參數。 3.2單片機系統 單片機最小系統設計電路如圖3.2所示，主要有電源電路、復位電路、外部振蕩電路、均衡控制信號輸出、充放電控制信號輸出、短路保護中斷輸入、電壓檢測輸入、電流檢測輸入、溫度檢測輸入、多路模擬開關控制信號輸出、指示和報警信號輸出等。 3.2.1 MCU的選擇 MCU是整個保護器系統的核心，根據系統設計的要求，MCU的選擇必須具有強大的功能：低功耗、內部集成多路A/D轉換器、支持SPI通信以及具有E 2 PROM等功能。TI公司的MSP430單片機以低功耗著稱，其中MSP430F233芯片具有工作電壓低、功耗低的特點，工作電壓在1.8V～3.6V范圍內，當該芯片以2.2V的電壓正常工作時，其工作電流可以低到270uA，待機狀態電流低至0.3uA，關斷模式電流低至0.1uA.該芯片內部還包含了8路12位AD轉換器，可以實現多路數據同時采集。除此之外，該芯片還包含一些外圍接口，如UART串行口和SPI、IIC接口;JTAG下載調試接口等。其基準時鐘可設在32KHz~16MHz的范圍;2個16位的具有捕獲/比較功能的定時器。MSP430F233的功能方框圖如圖3.3所示。 MSP430x2xx系列的主要特性如下： ⑴超低功耗延長了電池的使用壽命 ⑵保持RAM0.1uA ⑶實時時鐘模式0.8uA ⑷MIPS運行250uA ⑸理想精確的模擬信號測量 ⑹門控比較定時器測量電阻類元件 ⑺16位的精簡指令集的CPU全新應用 ⑻更大的寄存器空間消除了運行空間的瓶頸 ⑼緊湊的核結構設計減少了功耗、降低了成本 ⑽使用高水平的編程更優化 ⑾27條核心指令和7種尋址方式 ⑿強大的矢量中斷能力 3.2.2系統電源電路 系統需要從鋰電池組中取電。對于小型的電池組，可以從電池組中間取電。 但是對于大中型電池組，如果從中間取電的話，勢必會由于各單體電池的差異導致整個電池組的不均衡，使電池組的放電能力下降。因此，我們使用鋰電池組對系統進行供電時，一般情況下盡量不從電池組中間取電，需要對電池組最大電壓進行變換，使其變成適合系統工作的電源電壓。 本系統的工作電壓有兩種：5V和3.6V.其中5V的電源需要從鋰電池組的最大電壓變換得到，本系統所監控管理的電池組最大數量為16節，鋰電池的最高電壓為4.2V，因此該電池組的最大電壓可以達到67.2V，當電池組中電池數目較少時，電池組最大電壓則可能降到10V左右。因此，我們需要選用電壓工作范圍在10V~67.2V之間的降壓芯片。而MAX5033B作為一種高效、高壓、降壓型DC-DC轉換器，其電壓工作范圍可達7.5V~76V，另外，我們可以通過設定使其輸出固定在5V，滿足了系統的要求。因此，我們選用MAX5033B作為降壓DC-DC電路的主芯片。 MAX5033B除了電壓工作范圍滿足要求外，還具有功耗低、工作效率高和工作溫度范圍廣的優點。其空載時僅消耗350uA的靜態電流，轉換效率可高達94%，，輸出電流可到500mA，工作溫度范圍-40℃~125℃，非常適合本系統。該芯片共有8個引腳，其芯片圖如圖3.4所示。 系統的3.6V電源則由變換的5V電源轉換得到。該DC-DC電路可以由HT7536芯片實現。該芯片是一個三端高效電源管理芯片。具有結構簡單，功耗小、溫度系數小、壓差低等優點。該電路如圖3.6所示。 3.2.3復位電路 本系統中采用STC809R作為復位芯片，該芯片是專用復位芯片，具有很多優點：在上電時，當時鐘振蕩穩定而且電壓值大于用戶設定值，單片機才開始工作;掉電時，當電壓值低于用戶設定值，單片機才能復位;電池電壓下降到一定值，單片機始終處于復位狀態，且此時處于超低功耗，避免電池出現過放;具有掉電檢測電路，在掉電過程中有充分的時間保存數據。 3.2.4外部電路本系統采用上位機對單片機系統中均衡、保護以及報警等相關參數進行設置，這些參數需要通過上位機設置并保存到硬件電路中，因此需要擴展1KB的EEPROM存儲器，如圖3.8所示。 MSP430單片機支持JTAG接口的在線下載和調試，因此在電路上預留了JTAG接口電路，給調試和使用都帶來了極大的方便。電路如圖3.9所示。 我們采用中斷方式來滿足系統應用中有狀態和電量顯示的需求。系統中設定了相應的功能按鍵，當某一按鍵按下時，產生中斷，根據按鍵去查看電池的剩余電路和相應狀態，在沒有按鍵按下時，我們不對其進行顯示。這樣可以減少系統的能量損耗。 統有充放電狀態和電量狀態的LED指示電路，備用的指示電路，以及LED報警和蜂鳴器報警電路，分別如圖3.10、圖3.11、圖3.12和圖3.13所示。 3.3信號采集電路 3.3.1 A/D轉換MSP430F233有一個12位的逐次逼近型ADC，具有8路模擬量輸入通道， 使系統可以同時對電壓、電流以及溫度信號進行采集，而不需要再擴展A/D芯片。 該AD轉換器內部包含有采樣保持電路，另外，其內部自帶參考電壓。 AD轉換器是通過其AVCC引腳供電。片內自帶2.56V的基準電壓VREF+，當進行電壓、電流和溫度等信號采集時，可以在VREF+引腳上加上電容進行解耦，這樣可以對噪聲更好的抑制。其A/D轉換連接電路如圖3.14. 3.3.2電壓采集電路 對電壓的精確采集是系統能否正常運行中非常關鍵的一步。因為，后續的保護電路需要依據電池組總電壓和單體電壓值的大小進行判斷，所以，我們需要選用合適的測量方法完成對電壓的精確測量。 目前的電壓采集電路用的比較多的方法有以下幾種： 電阻分壓法、隔離放大器、線性光電隔離、高共模放大器。 本設計主要針對小功率的鋰離子電池管理系統，系統中電池組的數量最多不超過16個，當電池組滿充時，其端電壓為67.2V，充電電壓控制范圍為67.2±0.8V.另外，由于系統需要根據單體電池電壓值進行保護判斷，需要測量單體電池電壓。 因此，我們選擇了電阻分壓的方式來進行電壓采集。 本電路主要由以下幾個部分組成：電池電壓輸入接口電路、高8路電壓取樣網絡、低8路電壓取樣網絡、高8路信號多路選通電路、低8路信號多路選通電路、放大電路。 如圖3.15所示為電池電壓輸入接口電路。 取樣電阻網絡分為高8節取樣電路和低8節取樣電路。這樣取樣的原因是由于受系統成本所限，系統的放電電路沒有采用高精度、低漂移的集成運放LM324，而是采用了價格比較低的LMV324.雖然LMV324能夠與LM324相兼容，但是LMV324的缺點是精度較低，而且，當低端電壓放大時，其漂移和線性度不能滿足需求。因此我們需要把取樣電阻網絡設計成高8節和低8節兩種不同的接法。 這兩種電壓取樣網絡分別如圖3.16和圖3.17所示。 由上圖可知，高8節電壓取樣網絡中，其各極電壓都是通過兩個電阻對地進行分壓，取樣得到的電壓值都可以保持在1V以上，從而保證進入運放LMV324后均可在線性區工作，能夠滿足要求。 上圖為低8節電壓取樣電阻網絡，在該電路中，各極電壓都是通過兩個電阻對1V的基準電壓進行分壓取樣。如果采用和高8節一樣的方法直接對地分壓的話，會使差分信號中的共模信號過弱，不能滿足運放LMV324的工作要求，使其不能工作在線性區，因此需要采用各極電壓均對固定的1V基準電壓進行分壓的方式取樣，從而也保證所有電壓值均在1V以上的線性區。1V基準電壓的產生電路如圖3.18所示。 其中的VRER2.5是由單片機內部的AD采樣參考電壓輸出的2.5V標準電壓，該電壓經電阻分壓和跟隨器電路輸出后得到穩定的1V基準電壓，該電壓在小范圍內的波動不會對放電電路的輸出形成明顯的影響。 經過電壓采樣電阻網絡取樣后，我們需要把16路電壓信號分時的送入單片機的AD轉換器中。在這里選用四片多路開關芯片CD4052來構成高8路和低8路的多路開關電路。電路如圖3.19和圖3.20所示。 最后，將多路開關選通電路中的X路和Y路輸出一起接入放大電路中，其中X路輸出接VNIN，Y路輸出接VPIN，VPIN為同相輸入端，VNIN為反相輸入端。將每節電池的差分信號轉換為單極對地信號VADIN，然后送入單片機的AD通道進行轉換。電壓放大電路如圖3.21所示。 3.3.3電流采集電路 電流采集對于判斷是否需要短路保護是非常重要的一個參數。因此，我們需要實現對電流精確測量。 在這里，我們選用MAX4081作為檢測芯片。該芯片輸入電壓范圍4.5V至76V，非常適合于需要嚴密監視高壓電流的系統[41]，因此可以直接用電池組的最高電壓作為其供電電源。另外，芯片的參考電壓由系統提供，參考電壓值為1.5V.該芯片的引腳OUT輸出電壓與參考電壓、RS-和RS+三個引腳的電壓狀態有關。當RS-端電壓高于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓;當RS-端電壓低于RS+端電壓，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。 本電路的設計思路是首先在電池正極和保護器電路板之間串接一個分流器，RS-和RS+引腳分別接分流器兩端電壓。當回路沒有電流時，OUT引腳輸出電壓為參考電壓;電池放電時，OUT引腳輸出電壓低于參考電壓，最低可輸出0V;對電池充電時，OUT引腳輸出電壓高于參考電壓。檢測電路如圖3.22所示。 3.3.4溫度采集電路溫度檢測確保了安全充電步驟的執行。由于本系統對溫度信號的精度要求不高，因此系統采用100K的熱敏電阻和1%精度的電阻分壓進行溫度檢測，共設計了四路溫度采集電路，每路的電壓信號直接進入單片機的AD通道進行轉換。溫度采集電路如圖3.23所示。 3.4均衡及保護電路設計 3.4.1保護電路設計 在第一章里我們就已經介紹過了，鋰離子電池在使用過程中，如果出現過充、過放或者短路的情況，會對鋰離子電池的容量和壽命產生很嚴重的影響，甚至會產生安全問題。因此，保護電路的設計是電池組監控管理系統中最重要的一環。 電池組監控管理系統在使用中主要依據單體電池的電壓、電流值和電池組的溫度值進行判斷，根據判斷結果看是否啟動相應的保護。其保護電路應當具備以下幾個功能： ⑴過充保護：鋰電池在充電過程中如果充電電壓超過4.2V，會對電池造成損害。 ⑵過放保護：鋰電池在放電過程中如果充電電壓低于2.7V，會對電池造成損害。 ⑶短路保護：用來保證電池在移動時的安全以及電池組的正常工作。 ⑷過溫保護：由于本系統采用能量消耗型均衡法，因此系統電路板和電池組溫度會較高，需要過溫保護。 鋰電池組保護電路主要由短路保護信號檢測電路、中斷控制信號判斷電路、充放電驅動控制電路等組成。 ⒈短路保護電路 電池組在移動和放電時，需要進行短路保護。短路保護電路主要由負載端電壓取樣電路、比較電路和1V的基準電壓電路組成，其實質是由外部中斷通知單片機電池組需要進行短路保護，單片機在中斷程序中啟動短路保護，切斷主回路。 1V的基準電壓電路在前面已經作了介紹。在這里，首先介紹一下負載端電壓取樣電路。電池在放電時，放電電流在經過串聯的MOSFET管時，由于MOSFET管的導通阻抗，會在其兩端產生一個電壓，這時負載的負端P-應該電壓很低。當電池組或負載出現異常使回路電流增大到一定值時，P-端的電壓將會迅速上升，因此二極管D4將會導通，通過電阻分壓得到一定電壓，該電壓信號與1V的基準電壓進行比較得到一個脈沖信號作為單片機的外部中斷信號。短路保護電路如圖3.24所示。 ⒉過充/過放電保護控制電路 除了短路保護外，電池組監控管理系統中還需有過充、過放保護電路。鋰電池組的充電方式選用的是恒流轉恒壓的方式，當電池出現過充、過放現象時可以及時的切斷充放電回路。 過充保護控制的基本思路是：當通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達到4.25V±0.05V時，MCU的控制信號CHARGE輸出低電平使三極管Q18截止，使充電回路關斷，起到過充電保護作用;相反，當電池電壓低于4.0V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q18導通，使充電回路導通。其保護電路圖如圖3.25所示，其中P+為充電時充電機輸出的正極。 過放保護控制的基本思路是：在電池放電過程中，當通過電壓檢測電路檢測到電池電壓達到2.7V±0.08V時，MCU的控制信號DISCHG輸出低電平使三極管Q17截止，使放電回路關斷，起到過放電保護作用;相反，當電池電壓高于2.9V時，控制信號CHARGE輸出高電平使三極管Q17導通，使放電回路導通。其保護電路圖如圖3.25所示，其中B+為放電時電池組輸出的正極。但是需要注意的是，在前面介紹了系統電源是從電池組最大電壓轉換而來的。當電池處于過放情況下，不可能再對系統提供大電流。因此要求過放保護電路處于低功耗狀態，整個保護電路耗電會小于0.1uA. 3.4.2均衡電路設計 在前面我們已經介紹過了，鋰離子電池在串聯使用時，對鋰電池組進行充電中，單體鋰離子電池之間會出現不均衡的問題，時間長了會導致電池組中各單體電池容量的不一致，這樣勢必會影響鋰離子電池的使用壽命。為了保證電池組中各單體電池的一致性，我們需要設計均衡保護電路。 本系統采用的是能量損耗型均衡方法。判斷方法是當電池組中某節電池單體電壓超過電池組平均電壓值0.2V時，我們認為電池組處于不均衡狀態，應當啟動均衡保護，打開旁路開關，通過分流電阻釋放能量。 均衡電路是保證串聯各電池電壓一致性的根本，從而也關系到電池使用壽命的長短。在充電狀態下，若檢測到某節電壓高于電池組平均單節電壓時，由單片機I/O口輸出高電平，從而使驅動三極管導通，相應節電池正極的電壓將對地形成回路，并在兩只電阻上形成分壓，從而使得均衡電路的PMOS開關導通，并在功率電阻上形成分流，系統采用12歐姆/5瓦的功率電阻，因此均衡電流可達300mA左右，同時和功率電阻并聯的LED指示燈會被點亮，說明該節電池處于被均衡的狀態。每節電池的均衡電路都是按照如圖3.26所示的電路并聯在電池正負極之間的。 3.5串行通信電路 串行通信電路用來與上位機進行通信，實現參數設置和數據上傳。芯片MAX232的電源通過跳線來確定是否供電，因此在不需要與上位機通信時，可將其電源斷開，從而降低系統功耗。如圖3.27所示。 3.6小結 在本章中，我們根據系統要求，首先提出了對電池組進行監控管理的總體方案。然后根據系統的性能和功能要求，完成了對單片機的選型以及信號采集電路和保護電路的方案選擇。最后根據電路設計方案分別對各個電路進行了詳細的分析和闡述。系統的硬件設計是軟件設計的基礎，為軟件設計搭建了平臺。 該系統的硬件電路已經完成了PCB板的制作。繪制硬件電路的過程是一個學習的過程。在這個過程中，我們需要充分考慮各方面的因素，例如電源與地、模擬與數字以及電路的抗干擾能力等。任何一個因素都可能會對系統的正常運行產生很大的影響，需要不斷優化布局布線。另外，該硬件電路除了應當能滿足系統的功能要求外，還需要有一定的擴展能力，這些都是在設計過程中需要解決的問題。在設計的過程中還出現了單片機不能正常工作的情況，經過檢測，發現是由于晶振的設置不對。總之，在硬件設計的過程中， 可以學到了很多知識，將理論與實踐逐漸結合起來，為今后的硬件開發打下了基礎。 |
