電動(dòng)車(chē)36V鋰電池組保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案

隨著電動(dòng)自行車(chē)的逐漸普及，電動(dòng)自行車(chē)的主要能源---鋰電池也成為眾人關(guān)心的焦點(diǎn)。 鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，因其能量密度高，對(duì)充放電要求很高。 當(dāng)過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路保護(hù)等情況發(fā)生時(shí)，鋰電池內(nèi)的壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生爆炸，因此通常都會(huì)在電池包內(nèi)加保護(hù)電路，用以提高鋰電池的使用壽命。 針對(duì)目前電動(dòng)車(chē)鋰電池組所用的保護(hù)電路大多都由分立原件構(gòu)成，存在控制精度不夠高、技術(shù)指標(biāo)低、不能有效保護(hù)鋰電池組等特點(diǎn)，本文中提出一種基于單片機(jī)的電動(dòng)車(chē)36 V鋰電池組（由10節(jié)3. 6 V鋰電池串聯(lián)而成）保護(hù)電路設(shè)計(jì)方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，用由MC34063構(gòu)成的DC /DC變換控制電路為整個(gè)保護(hù)電路提供穩(wěn)壓電源，輔以LM60 測(cè)溫、MOS管IRF530N作充放電控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池組和單個(gè)電池的狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)功能，達(dá)到延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。

1 保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，將任務(wù)設(shè)計(jì)分解為電壓測(cè)量、電流測(cè)量、溫度測(cè)量、開(kāi)關(guān)控制、電源、均衡充電等功能模塊。 系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

電池組電壓、電流、溫度等信息通過(guò)電壓采樣、電流采樣和溫度測(cè)量電路，加到信號(hào)采集部分的A /D輸入端。 A /D模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸給單片機(jī)。 單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的各項(xiàng)性能指標(biāo)和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)關(guān)。 由于使用了單片機(jī)，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制，從而能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能改進(jìn)。

1. 1 ATmega16 L單片機(jī)模塊
從低功耗、低成本設(shè)計(jì)角度出發(fā)，單片機(jī)模塊采用高性能、低功耗的ATmega16 L單片機(jī)作為檢測(cè)與控制核心。 ATmega16 L 是基于增強(qiáng)的AVRR ISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，內(nèi)部帶有16 k 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash, 512 字節(jié)EEPROM, 1 k字節(jié)SRAM, 32個(gè)通用I/O口線， 32個(gè)通用工作寄存器（用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程） , 3個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（ T/C） （片內(nèi)/外中斷） ,可編程串行USART,有起始條件檢測(cè)器的通用串行接口， 8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（ TQFP封裝）的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器，一個(gè)SP I串行端口，以及6個(gè)可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 L的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1M IPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。
 

單片機(jī)的輸入輸出設(shè)計(jì)如圖2所示。 由電源部分降壓、穩(wěn)壓得到的3. 3 V電壓通過(guò)端口10為單片機(jī)提供工作電壓；端口12和13為反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機(jī)提供工作晶振；端口30是端口A與A /D轉(zhuǎn)換器的電源，使用ADC時(shí)通過(guò)一個(gè)低通濾波器與端口10的VCC連接；端口37,38的ADC3, ADC2是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后待檢測(cè)的電壓、電流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是經(jīng)過(guò)溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的溫控電壓值。
 

圖2 單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)

1. 2 穩(wěn)壓電源模塊
穩(wěn)壓電源是單片機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。 ATmega16 L單片機(jī)的工作電壓為2. 7~5. 5 V,為保證單片機(jī)穩(wěn)定的工作電壓為3. 3 V. 穩(wěn)壓部分是由MC34063構(gòu)成的DC /DC變換控制電路，從電池組分出的25 V電壓經(jīng)過(guò)電路降壓、穩(wěn)壓，輸出3. 3 V,供保護(hù)電路工作，其電路如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電源模塊電路

1. 3 充電均衡模塊
采用模擬電路方案。 即在每節(jié)電池的外部搭建過(guò)壓保護(hù)電路，充電過(guò)程中當(dāng)電壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)閉合，使電池通過(guò)電阻回路放電，以保護(hù)電池不會(huì)過(guò)度充電。 當(dāng)電池電壓減小到均衡充電動(dòng)作電壓4. 18 V時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)斷開(kāi)。

1. 4 電壓電流測(cè)量模塊
待測(cè)的電壓通過(guò)集成運(yùn)算放大器LM358,將輸出送至單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。 LM358內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用和雙電源工作模式，由于其低功耗電流，也適合于電池。 用霍爾傳感器UGN - 3501 M 檢測(cè)直流電流。 UGN -3501M是集成型霍爾傳感器，采用差動(dòng)霍爾電壓輸出，檢測(cè)靈敏度為1. 4 V /0. 1T.

電壓電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)如圖4 所示。 運(yùn)算放大器LM358的5, 6引腳所接的BB,AA為待測(cè)的充電、放電電壓，經(jīng)過(guò)放大后由7腳輸出至單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到待測(cè)電壓達(dá)到過(guò)充、過(guò)放保護(hù)電壓時(shí)，由單片機(jī)控制斷開(kāi)充放電回路。 電流檢測(cè)通過(guò)霍爾傳感器完成，如圖4所示，將從UGN -3501M1, 8引腳輸出的霍爾電壓uH 接至LM358的3, 4引腳，經(jīng)過(guò)放大后從1 腳輸出ADC3 至單片機(jī)，進(jìn)行過(guò)電流保護(hù)。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引腳連接調(diào)整電位器，用以補(bǔ)償不等位電勢(shì)，同時(shí)改善線性。 調(diào)整5, 6引腳外接電阻R16,可使輸出霍爾電壓uH 與磁場(chǎng)強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系。

圖4 電壓電流檢測(cè)電路

1. 5 溫度檢測(cè)模塊
溫度檢測(cè)和控制模塊選用電壓輸出型的半導(dǎo)體溫度傳感器LM60. 該傳感器是一種已校正的集成化溫度傳感器，它的工作溫度范圍是- 40 ℃至125 ℃，工作電壓范圍是2. 7 V至10 V. 信號(hào)輸出與溫度成正比，信號(hào)大小可達(dá)+ 6. 25 mV /℃。

基于LM60的溫度檢測(cè)電路如圖5所示。 由穩(wěn)壓部分輸出的3. 3 V 電源為此電路供電，經(jīng)過(guò)溫度傳感器將探測(cè)點(diǎn)的溫度轉(zhuǎn)化為電壓值通過(guò)ADC0,ADC1輸出，再將ADC0, ADC1送入單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓值達(dá)到溫控要求時(shí)，單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)通斷。

圖5 溫度檢測(cè)電路

1. 6 開(kāi)關(guān)模塊
開(kāi)關(guān)采用MOSFET,型號(hào)選用P溝道的MOS管的IR530N. 工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制端口輸出高電平，功率三極管導(dǎo)通，功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和漏極之間產(chǎn)生壓降，功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。

2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，處理程序采用模塊化編程， 程序運(yùn)行的環(huán)境是ICCAVR 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

在電池組空載的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式，以使功耗降至最低；當(dāng)電池組接入負(fù)載或?qū)﹄姵亟M充電時(shí)，單片機(jī)被激活，由低功耗掉電模式轉(zhuǎn)入正常工作模式，并持續(xù)運(yùn)作。 整個(gè)程序的流程如圖6所示。

圖6 程序流程

根據(jù)本系統(tǒng)的模塊分布，單片機(jī)程序分為電壓測(cè)量模塊、電流測(cè)量模塊和溫度測(cè)量模塊，每一模塊調(diào)用共同A /D轉(zhuǎn)換函數(shù)和延時(shí)判斷函數(shù)等，以縮短代碼長(zhǎng)度和增強(qiáng)程序代碼的可讀性。 下面給出程序主函數(shù)的代碼：

void main （void）
{
    int （ ） ;  / /單片機(jī)初始化，打開(kāi)所有開(kāi)關(guān)；
    sleep （ ） ;  / /單片機(jī)進(jìn)入休眠模式；
    int sign |= 1;
    while （ sign = = 1 ）  / /判斷系統(tǒng)是否運(yùn)行正常；
    { int（ ） ;
      dianya （ ） ;  / /調(diào)用測(cè)壓模塊；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      dianliu （ ） ;  / /調(diào)用測(cè)流模塊；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      wendu （ ） ;  / /調(diào)用溫度模塊；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
    }
    int （ ） ;
    sign |= 1;
    main （ ） ;
}

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，本保護(hù)電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全部基本功能。 與傳統(tǒng)采用分離元件的電池保護(hù)系統(tǒng)相比，本文中提出基于單片機(jī)的電池保護(hù)電路系統(tǒng)具有系統(tǒng)體積小、功能多、功耗低、成本低等特點(diǎn)，可用于工業(yè)生產(chǎn)。