锂离子电池组监控系统研究与实现 — 系统硬件设计

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目前，锂离子蓄电池组作为一种新能源，与传统的以镍隔，镍氢电池为储能核心的电源系统相比，存在以下问题：
          ⑴串联电池组由于各单体之间容量的差异引起的充电放电过程的不均衡。
       
        ⑵由于过充电，过放电，过电流或高温而引起的电池失效问题。
       
        针对以上两个问题，提出以下设计目标：
          ⑴对锂离子电池组，实现充放电时电池之间的均衡，做到各单体电池之间电压与其平均电压的差不超过0.2V，实现充放电时对电池的保护。
       
        ⑵设计充放电控制电路，实现对锂离子电池组过充、过放以及短路保护。
       
        3.1系统硬件总体结构
          根据以上设计目标，系统总体方案框图如图3.1所示。本系统采用TI公司的MSP430F233为控制核心，包括电压、电流和温度采样电路、锂电池组的过充、过放、短路保护电路和均衡电路、串口通信电路以及相关外围电路等。
       
       
       
        锂电池组在充放电的过程中，系统的信号检测电路实时地对电压、温度、电流等参数进行采集，同时采样到的信号送入AD转换器，经过A/D转换后的数据送入处理器，处理器读取转换结果后，将转换结果与系统预设的参数值进行比较，判断是否出现过压、过放或短路现象，以决定是否启动相应的保护措施。同时，根据需要，单片机可实时上传采集到的电压、电流、温度等参数给上位机，由上
       
        位机处理后进行显示和存储。另外，上位机系统还可通过串口给单片机系统设置相关的系统参数和数据校正参数。
       
        3.2单片机系统
          单片机最小系统设计电路如图3.2所示，主要有电源电路、复位电路、外部振荡电路、均衡控制信号输出、充放电控制信号输出、短路保护中断输入、电压检测输入、电流检测输入、温度检测输入、多路模拟开关控制信号输出、指示和报警信号输出等。
       
       
       
        3.2.1 MCU的选择
          MCU是整个保护器系统的核心，根据系统设计的要求，MCU的选择必须具有强大的功能：低功耗、内部集成多路A/D转换器、支持SPI通信以及具有E 2 PROM等功能。TI公司的MSP430单片机以低功耗著称，其中MSP430F233芯片具有工作电压低、功耗低的特点，工作电压在1.8V～3.6V范围内，当该芯片以2.2V的电压正常工作时，其工作电流可以低到270uA，待机状态电流低至0.3uA，关断模式电流低至0.1uA.该芯片内部还包含了8路12位AD转换器，可以实现多路数据同时采集。除此之外，该芯片还包含一些外围接口，如UART串行口和SPI、IIC接口；JTAG下载调试接口等。其基准时钟可设在32KHz~16MHz的范围；2个16位的具有捕获/比较功能的定时器。MSP430F233的功能方框图如图3.3所示。
       
        MSP430x2xx系列的主要特性如下：
          ⑴超低功耗延长了电池的使用寿命
          ⑵保持RAM0.1uA
          ⑶实时时钟模式0.8uA
          ⑷MIPS运行250uA
          ⑸理想精确的模拟信号测量
          ⑹门控比较定时器测量电阻类元件
          ⑺16位的精简指令集的CPU全新应用
          ⑻更大的寄存器空间消除了运行空间的瓶颈
          ⑼紧凑的核结构设计减少了功耗、降低了成本
          ⑽使用高水平的编程更优化
          ⑾27条核心指令和7种寻址方式
          ⑿强大的矢量中断能力
       
       
          3.2.2系统电源电路
          系统需要从锂电池组中取电。对于小型的电池组，可以从电池组中间取电。
       
        但是对于大中型电池组，如果从中间取电的话，势必会由于各单体电池的差异导致整个电池组的不均衡，使电池组的放电能力下降。因此，我们使用锂电池组对系统进行供电时，一般情况下尽量不从电池组中间取电，需要对电池组最大电压进行变换，使其变成适合系统工作的电源电压。
       
        本系统的工作电压有两种：5V和3.6V.其中5V的电源需要从锂电池组的最大电压变换得到，本系统所监控管理的电池组最大数量为16节，锂电池的最高电压为4.2V，因此该电池组的最大电压可以达到67.2V，当电池组中电池数目较少时，电池组最大电压则可能降到10V左右。因此，我们需要选用电压工作范围在10V~67.2V之间的降压芯片。而MAX5033B作为一种高效、高压、降压型DC-DC转换器，其电压工作范围可达7.5V~76V，另外，我们可以通过设定使其输出固定在5V，满足了系统的要求。因此，我们选用MAX5033B作为降压DC-DC电路的主芯片。
       
        MAX5033B除了电压工作范围满足要求外，还具有功耗低、工作效率高和工作温度范围广的优点。其空载时仅消耗350uA的静态电流，转换效率可高达94%，，输出电流可到500mA，工作温度范围-40℃~125℃，非常适合本系统。该芯片共有8个引脚，其芯片图如图3.4所示。
       
       
       
        系统的3.6V电源则由变换的5V电源转换得到。该DC-DC电路可以由HT7536芯片实现。该芯片是一个三端高效电源管理芯片。具有结构简单，功耗小、温度系数小、压差低等优点。该电路如图3.6所示。
       
        3.2.3复位电路
          本系统中采用STC809R作为复位芯片，该芯片是专用复位芯片，具有很多优点：在上电时，当时钟振荡稳定而且电压值大于用户设定值，单片机才开始工作；掉电时，当电压值低于用户设定值，单片机才能复位；电池电压下降到一定值，单片机始终处于复位状态，且此时处于超低功耗，避免电池出现过放；具有掉电检测电路，在掉电过程中有充分的时间保存数据。
       
       
       
        3.2.4外部电路本系统采用上位机对单片机系统中均衡、保护以及报警等相关参数进行设置，这些参数需要通过上位机设置并保存到硬件电路中，因此需要扩展1KB的EEPROM存储器，如图3.8所示。
       
       
       
        MSP430单片机支持JTAG接口的在线下载和调试，因此在电路上预留了JTAG接口电路，给调试和使用都带来了极大的方便。电路如图3.9所示。
       
       
       
        我们采用中断方式来满足系统应用中有状态和电量显示的需求。系统中设定了相应的功能按键，当某一按键按下时，产生中断，根据按键去查看电池的剩余电路和相应状态，在没有按键按下时，我们不对其进行显示。这样可以减少系统的能量损耗。
       
        统有充放电状态和电量状态的LED指示电路，备用的指示电路，以及LED报警和蜂鸣器报警电路，分别如图3.10、图3.11、图3.12和图3.13所示。
       
       
       
        3.3信号采集电路
          3.3.1 A/D转换MSP430F233有一个12位的逐次逼近型ADC，具有8路模拟量输入通道，
       
        使系统可以同时对电压、电流以及温度信号进行采集，而不需要再扩展A/D芯片。
       
        该AD转换器内部包含有采样保持电路，另外，其内部自带参考电压。
       
        AD转换器是通过其AVCC引脚供电。片内自带2.56V的基准电压VREF+，当进行电压、电流和温度等信号采集时，可以在VREF+引脚上加上电容进行解耦，这样可以对噪声更好的抑制。其A/D转换连接电路如图3.14.
       
        3.3.2电压采集电路
          对电压的精确采集是系统能否正常运行中非常关键的一步。因为，后续的保护电路需要依据电池组总电压和单体电压值的大小进行判断，所以，我们需要选用合适的测量方法完成对电压的精确测量。
       
        目前的电压采集电路用的比较多的方法有以下几种：
          电阻分压法、隔离放大器、线性光电隔离、高共模放大器。
       
        本设计主要针对小功率的锂离子电池管理系统，系统中电池组的数量最多不超过16个，当电池组满充时，其端电压为67.2V，充电电压控制范围为67.2±0.8V.另外，由于系统需要根据单体电池电压值进行保护判断，需要测量单体电池电压。
       
        因此，我们选择了电阻分压的方式来进行电压采集。
       
        本电路主要由以下几个部分组成：电池电压输入接口电路、高8路电压取样网络、低8路电压取样网络、高8路信号多路选通电路、低8路信号多路选通电路、放大电路。
       
        如图3.15所示为电池电压输入接口电路。
       
       
       
        取样电阻网络分为高8节取样电路和低8节取样电路。这样取样的原因是由于受系统成本所限，系统的放电电路没有采用高精度、低漂移的集成运放LM324，而是采用了价格比较低的LMV324.虽然LMV324能够与LM324相兼容，但是LMV324的缺点是精度较低，而且，当低端电压放大时，其漂移和线性度不能满足需求。因此我们需要把取样电阻网络设计成高8节和低8节两种不同的接法。
       
        这两种电压取样网络分别如图3.16和图3.17所示。
       
       
       
        由上图可知，高8节电压取样网络中，其各极电压都是通过两个电阻对地进行分压，取样得到的电压值都可以保持在1V以上，从而保证进入运放LMV324后均可在线性区工作，能够满足要求。
       
       
       
        上图为低8节电压取样电阻网络，在该电路中，各极电压都是通过两个电阻对1V的基准电压进行分压取样。如果采用和高8节一样的方法直接对地分压的话，会使差分信号中的共模信号过弱，不能满足运放LMV324的工作要求，使其不能工作在线性区，因此需要采用各极电压均对固定的1V基准电压进行分压的方式取样，从而也保证所有电压值均在1V以上的线性区。1V基准电压的产生电路如图3.18所示。
       
       
          其中的VRER2.5是由单片机内部的AD采样参考电压输出的2.5V标准电压，该电压经电阻分压和跟随器电路输出后得到稳定的1V基准电压，该电压在小范围内的波动不会对放电电路的输出形成明显的影响。
       
        经过电压采样电阻网络取样后，我们需要把16路电压信号分时的送入单片机的AD转换器中。在这里选用四片多路开关芯片CD4052来构成高8路和低8路的多路开关电路。电路如图3.19和图3.20所示。
       
       
       
        最后，将多路开关选通电路中的X路和Y路输出一起接入放大电路中，其中X路输出接VNIN，Y路输出接VPIN，VPIN为同相输入端，VNIN为反相输入端。将每节电池的差分信号转换为单极对地信号VADIN，然后送入单片机的AD通道进行转换。电压放大电路如图3.21所示。
       
       
       
        3.3.3电流采集电路
          电流采集对于判断是否需要短路保护是非常重要的一个参数。因此，我们需要实现对电流精确测量。
       
        在这里，我们选用MAX4081作为检测芯片。该芯片输入电压范围4.5V至76V，非常适合于需要严密监视高压电流的系统[41]，因此可以直接用电池组的最高电压作为其供电电源。另外，芯片的参考电压由系统提供，参考电压值为1.5V.该芯片的引脚OUT输出电压与参考电压、RS-和RS+三个引脚的电压状态有关。当RS-端电压高于RS+端电压，OUT引脚输出电压低于参考电压；当RS-端电压低于RS+端电压，OUT引脚输出电压高于参考电压。
       
        本电路的设计思路是首先在电池正极和保护器电路板之间串接一个分流器，RS-和RS+引脚分别接分流器两端电压。当回路没有电流时，OUT引脚输出电压为参考电压；电池放电时，OUT引脚输出电压低于参考电压，最低可输出0V；对电池充电时，OUT引脚输出电压高于参考电压。检测电路如图3.22所示。
       
       
       
        3.3.4温度采集电路温度检测确保了安全充电步骤的执行。由于本系统对温度信号的精度要求不高，因此系统采用100K的热敏电阻和1%精度的电阻分压进行温度检测，共设计了四路温度采集电路，每路的电压信号直接进入单片机的AD通道进行转换。温度采集电路如图3.23所示。
       
       
          3.4均衡及保护电路设计
          3.4.1保护电路设计
          在第一章里我们就已经介绍过了，锂离子电池在使用过程中，如果出现过充、过放或者短路的情况，会对锂离子电池的容量和寿命产生很严重的影响，甚至会产生安全问题。因此，保护电路的设计是电池组监控管理系统中最重要的一环。
       
        电池组监控管理系统在使用中主要依据单体电池的电压、电流值和电池组的温度值进行判断，根据判断结果看是否启动相应的保护。其保护电路应当具备以下几个功能：
          ⑴过充保护：锂电池在充电过程中如果充电电压超过4.2V，会对电池造成损害。
       
        ⑵过放保护：锂电池在放电过程中如果充电电压低于2.7V，会对电池造成损害。
       
        ⑶短路保护：用来保证电池在移动时的安全以及电池组的正常工作。
       
        ⑷过温保护：由于本系统采用能量消耗型均衡法，因此系统电路板和电池组温度会较高，需要过温保护。
       
        锂电池组保护电路主要由短路保护信号检测电路、中断控制信号判断电路、充放电驱动控制电路等组成。
       
        ⒈短路保护电路
          电池组在移动和放电时，需要进行短路保护。短路保护电路主要由负载端电压取样电路、比较电路和1V的基准电压电路组成，其实质是由外部中断通知单片机电池组需要进行短路保护，单片机在中断程序中启动短路保护，切断主回路。
       
        1V的基准电压电路在前面已经作了介绍。在这里，首先介绍一下负载端电压取样电路。电池在放电时，放电电流在经过串联的MOSFET管时，由于MOSFET管的导通阻抗，会在其两端产生一个电压，这时负载的负端P-应该电压很低。当电池组或负载出现异常使回路电流增大到一定值时，P-端的电压将会迅速上升，因此二极管D4将会导通，通过电阻分压得到一定电压，该电压信号与1V的基准电压进行比较得到一个脉冲信号作为单片机的外部中断信号。短路保护电路如图3.24所示。
       
       
       
        ⒉过充/过放电保护控制电路
          除了短路保护外，电池组监控管理系统中还需有过充、过放保护电路。锂电池组的充电方式选用的是恒流转恒压的方式，当电池出现过充、过放现象时可以及时的切断充放电回路。
       
        过充保护控制的基本思路是：当通过电压检测电路检测到电池电压达到4.25V±0.05V时，MCU的控制信号CHARGE输出低电平使三极管Q18截止，使充电回路关断，起到过充电保护作用；相反，当电池电压低于4.0V时，控制信号CHARGE输出高电平使三极管Q18导通，使充电回路导通。其保护电路图如图3.25所示，其中P+为充电时充电机输出的正极。
       
        过放保护控制的基本思路是：在电池放电过程中，当通过电压检测电路检测到电池电压达到2.7V±0.08V时，MCU的控制信号DISCHG输出低电平使三极管Q17截止，使放电回路关断，起到过放电保护作用；相反，当电池电压高于2.9V时，控制信号CHARGE输出高电平使三极管Q17导通，使放电回路导通。其保护电路图如图3.25所示，其中B+为放电时电池组输出的正极。但是需要注意的是，在前面介绍了系统电源是从电池组最大电压转换而来的。当电池处于过放情况下，不可能再对系统提供大电流。因此要求过放保护电路处于低功耗状态，整个保护电路耗电会小于0.1uA.
       
       
       
        3.4.2均衡电路设计
          在前面我们已经介绍过了，锂离子电池在串联使用时，对锂电池组进行充电中，单体锂离子电池之间会出现不均衡的问题，时间长了会导致电池组中各单体电池容量的不一致，这样势必会影响锂离子电池的使用寿命。为了保证电池组中各单体电池的一致性，我们需要设计均衡保护电路。
       
        本系统采用的是能量损耗型均衡方法。判断方法是当电池组中某节电池单体电压超过电池组平均电压值0.2V时，我们认为电池组处于不均衡状态，应当启动均衡保护，打开旁路开关，通过分流电阻释放能量。
       
        均衡电路是保证串联各电池电压一致性的根本，从而也关系到电池使用寿命的长短。在充电状态下，若检测到某节电压高于电池组平均单节电压时，由单片机I/O口输出高电平，从而使驱动三极管导通，相应节电池正极的电压将对地形成回路，并在两只电阻上形成分压，从而使得均衡电路的PMOS开关导通，并在功率电阻上形成分流，系统采用12欧姆/5瓦的功率电阻，因此均衡电流可达300mA左右，同时和功率电阻并联的LED指示灯会被点亮，说明该节电池处于被均衡的状态。每节电池的均衡电路都是按照如图3.26所示的电路并联在电池正负极之间的。
       
       
          3.5串行通信电路
          串行通信电路用来与上位机进行通信，实现参数设置和数据上传。芯片MAX232的电源通过跳线来确定是否供电，因此在不需要与上位机通信时，可将其电源断开，从而降低系统功耗。如图3.27所示。
       
       
       
        3.6小结
          在本章中，我们根据系统要求，首先提出了对电池组进行监控管理的总体方案。然后根据系统的性能和功能要求，完成了对单片机的选型以及信号采集电路和保护电路的方案选择。最后根据电路设计方案分别对各个电路进行了详细的分析和阐述。系统的硬件设计是软件设计的基础，为软件设计搭建了平台。
       
        该系统的硬件电路已经完成了PCB板的制作。绘制硬件电路的过程是一个学习的过程。在这个过程中，我们需要充分考虑各方面的因素，例如电源与地、模拟与数字以及电路的抗干扰能力等。任何一个因素都可能会对系统的正常运行产生很大的影响，需要不断优化布局布线。另外，该硬件电路除了应当能满足系统的功能要求外，还需要有一定的扩展能力，这些都是在设计过程中需要解决的问题。在设计的过程中还出现了单片机不能正常工作的情况，经过检测，发现是由于晶振的设置不对。总之，在硬件设计的过程中， 可以学到了很多知识，将理论与实践逐渐结合起来，为今后的硬件开发打下了基础。