鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ― 鋰電池管理系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

3.3.3溫度采樣的實(shí)現(xiàn)

3.3.3.1溫度傳感器DS18B20簡(jiǎn)介

電池溫度是系統(tǒng)評(píng)估電池的SOC和判斷電池能否正常使用的關(guān)鍵性參數(shù)，溫度影響電池的充電效率，同時(shí)如果電池的溫度超過(guò)一定值，有可能造成電池的不可恢復(fù)性破壞。電池組之間的溫度差異造成電池組單體之間的不均衡，從而造成電池壽命的降低。

本電池管理系統(tǒng)中溫度檢測(cè)采用的是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20.它是單片結(jié)構(gòu)，無(wú)需外加A/D即可輸出9——12位的數(shù)字量。通信采用單總線協(xié)議，對(duì)DS18B20的各種操作通過(guò)一條數(shù)據(jù)線即可完成，同時(shí)該數(shù)據(jù)線還可兼做電源線，即具有寄生電源模式。因?yàn)閷?duì)于每個(gè)DS18B20都含有唯一的序列碼，所以每條總線上可同時(shí)連接多個(gè)DS18B20.這使得DS18B20連線簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，適合于多種測(cè)溫系統(tǒng)，特別是與單片機(jī)合用構(gòu)成的溫度檢測(cè)與控制系統(tǒng)。

DS18B20的內(nèi)部主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數(shù)據(jù)的高速暫存器、用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度上下限值的TH和TL觸發(fā)器與控制邏輯、8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼發(fā)生器等七部分。DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性可電擦除的EEPROM.后者用于存儲(chǔ)用戶設(shè)定的溫度報(bào)警上下限值TH，TL.前者內(nèi)部的配置寄存器可用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，設(shè)定的分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，在實(shí)際應(yīng)用中要在分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間之間權(quán)衡考慮。

高速暫存存儲(chǔ)器除了配置寄存器外，還有其他8個(gè)字節(jié)組成。其中第1，2字節(jié)為溫度信息、第3，4字節(jié)為TH和TL值、第6——8字節(jié)未用，表現(xiàn)為全邏輯1;第9字節(jié)讀出的是前面所有8個(gè)字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)保證通信正確。

DS18B20將轉(zhuǎn)換的溫度值以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1，2字節(jié)。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變換為原碼，再計(jì)算十進(jìn)制值。

工作中系統(tǒng)對(duì)DS18B20的操作以ROM命令和存儲(chǔ)器命令形式出現(xiàn)。其中ROM操作指令分別為：讀ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳過(guò)ROM(CCH)、搜索ROM(FOH)和告警搜索(ECH)

命令。暫存器指令分別為：寫(xiě)暫存存儲(chǔ)器(4EH)，讀暫存存儲(chǔ)器(BEH)、復(fù)制暫存存儲(chǔ)器(48H)、溫度轉(zhuǎn)換(44H)和讀電源供電方式(B4H)。

3.3.3.2溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)及工作原理

溫度檢測(cè)系統(tǒng)，采用直接電源供電方式。當(dāng)DS18B20處于寫(xiě)存儲(chǔ)器操作和溫度A/D變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開(kāi)啟時(shí)間最大為10μs.由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。同時(shí)由于讀寫(xiě)在操作上是分開(kāi)的故不存在信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

在系統(tǒng)安裝及工作之前，應(yīng)將主機(jī)逐個(gè)與DS18B20掛接，讀出其序列號(hào)。其工作過(guò)程為：主機(jī)發(fā)一個(gè)脈沖，待“0”電平大于480μs后，復(fù)位DS18B20，待DS18B20所發(fā)響應(yīng)脈沖由主機(jī)接收后，主機(jī)再發(fā)讀ROM命令代碼33H(低位在前)，然后發(fā)一個(gè)脈沖(15μs)并接著讀取DS18B20序列號(hào)的一位。用同樣方法讀取序列號(hào)的56位。對(duì)于系統(tǒng)的DS18B20操作的總體流程圖，它分三步完成：1.系統(tǒng)通過(guò)反復(fù)操作，搜索DS18B20序列號(hào);2.啟動(dòng)所有在線DS18B20做溫度A/D變換;3.讀出在線DS18B20變換后的溫度數(shù)據(jù)。主機(jī)啟動(dòng)溫度變換并讀取溫度值;主機(jī)寫(xiě)入存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)。當(dāng)有更多的檢測(cè)點(diǎn)需要測(cè)溫時(shí)，利用ATMEGABL的其它口進(jìn)行擴(kuò)展。具體電路圖如下：

3.4充電控制模塊設(shè)計(jì)

常規(guī)充電法是按預(yù)充、恒流、定壓三階段進(jìn)行，時(shí)序圖如圖3-6所示：

為提高充電效率，本電池管理系統(tǒng)的預(yù)充和定壓充電階段采用間歇式充電法，如圖3-7所示：

對(duì)裝有電池管理系統(tǒng)的鋰離子電池組充電時(shí)，必須外接與之匹配的恒壓限流型的電源括配器。其恒壓值U為

U=4.2*N+損耗電壓

式中：N為電池節(jié)數(shù)。

限流值為該動(dòng)力鋰電池的常規(guī)充電電流0.3C(C為電池容量)，在實(shí)行充電前必須先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后才按預(yù)充、恒流充電和恒壓充電三個(gè)階段進(jìn)行自動(dòng)充電。

1.初始化

雖然初始化階段并未開(kāi)始對(duì)電池充電，但卻是整個(gè)充電過(guò)程很重要的一步。智能能源管理模塊在此階段對(duì)自身進(jìn)行初始化和自檢，以確定自身是否工作正常，同時(shí)檢測(cè)充電條件是否符合充電要求：

(1)外接充電電源極性是否正確;

(2)外接充電電壓是否在規(guī)定范圍內(nèi);

(3)當(dāng)時(shí)溫度是否在允許范圍內(nèi);

(4)鋰離子電池端電壓(各單體)是否在允許的最低充電電壓以上;

(5)鋰離子電池端電壓(各單元)是否高于過(guò)充電檢測(cè)電壓;

2.預(yù)充

預(yù)充電不是每次都要進(jìn)行，其目的是當(dāng)電池過(guò)度放電、存放時(shí)間太長(zhǎng)或電池已經(jīng)損壞，電池端電壓已經(jīng)低于鋰離子電池允許的最低充電壓以下時(shí)，必須以小的電流(約為正常充電電流的1/10)進(jìn)行預(yù)充，使鋰離子電池端電壓上升到最低允許充電電壓以上，才能轉(zhuǎn)為下一個(gè)充電程序——恒流充電。

預(yù)充原理是電源適配器通過(guò)MCU控制向電池施加一個(gè)比較小的充電電流(約為正常充電電流的1/10)，使得低于允許的最低充電壓以下的電池在固定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最低允許充電電壓值，避免將深度放電的電池認(rèn)為是不可充的電池。

如圖3-8所示，本模塊的預(yù)充是電源適配器通過(guò)預(yù)充開(kāi)關(guān)管S1、電阻R4、S3向電池預(yù)充的，這時(shí)MCU通過(guò)程序控制放電開(kāi)關(guān)管S3全導(dǎo)通，預(yù)充開(kāi)關(guān)管S1做間歇式導(dǎo)通，采用較短的導(dǎo)通時(shí)間及間隔較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間(等效平均電流較小)向電池預(yù)充，直至電池的端電壓上升到鋰離子電池允許的最低充電電壓(2.5——2.7V之間，與溫度有關(guān))，然后進(jìn)人下一充電階段——恒流充電;若長(zhǎng)時(shí)間預(yù)充電池端電壓都不能到達(dá)最低允許充電電壓，則說(shuō)明電池已損壞，程序進(jìn)人充電禁止?fàn)顟B(tài)。

3.恒流充電

本電池管理系統(tǒng)對(duì)鋰電池恒流充電要求外置充電電源是恒流的，其恒流值應(yīng)小于鋰離子電池的最大允許充電電流，本系統(tǒng)定為0.3 C.MCU通過(guò)程序控制充電開(kāi)關(guān)管S2、放電開(kāi)關(guān)管S3全導(dǎo)通，電源適配器通過(guò)充電開(kāi)關(guān)管S2、放電開(kāi)關(guān)管S3向電池組恒流充電。電池電壓將緩慢上升，一般充電時(shí)間為2—3小時(shí)，這時(shí)電池電量達(dá)到了滿電量的70%——80%.當(dāng)單個(gè)電池單元電壓達(dá)到所設(shè)定的終止電壓時(shí)，恒流充電終止，充電電流快速遞減，充電進(jìn)入保持充電過(guò)程。

4.保持充電

本電池管理系統(tǒng)在保持充電階段采用脈沖充電方式，在這一階段中，脈沖充電方式以與恒流充電階段相同的電流值間歇性的對(duì)電池進(jìn)行恒流充電一段固定的時(shí)間t，然后關(guān)閉充電回路。由于充電電流的存在，電池電壓將繼續(xù)上升超過(guò)充電終止電壓，在充電回路被切斷后，電池電壓又會(huì)慢慢下降。當(dāng)電池電壓恢復(fù)到充電終止電壓時(shí)，重新打開(kāi)充電回路，仍然對(duì)電池以恒流電流值進(jìn)行充電，而后又關(guān)閉充電回路等待電池電壓的下降。在脈沖充電電流的作用下，電池會(huì)被逐漸充滿，電池端電壓下降的速度也逐漸減慢。這一過(guò)程一直持續(xù)到電池電壓恢復(fù)時(shí)間達(dá)到某個(gè)預(yù)設(shè)的值為止，可以認(rèn)為電池己接近充滿。

本系統(tǒng)的各種保護(hù)及工作狀態(tài)都要用到大功率電子開(kāi)關(guān)，本系統(tǒng)采用大功率、低導(dǎo)通電阻的MOSFET.使用MOSFET的原因是本電路既有充電回路，又有放電回路，為此電子開(kāi)關(guān)器件應(yīng)具有雙向?qū)芰?，而MOSFET具有此種能力。實(shí)際電路中的MOSFET采用IRF4905，其典型的導(dǎo)通電阻為20mΩ，Vds=55V，Id=74A.

3.5均衡模塊原理與方案設(shè)計(jì)

3.5.1國(guó)內(nèi)外鋰電池組的均衡方法綜述

當(dāng)鋰離子電池組由多個(gè)單體電池串聯(lián)使用時(shí)，即使單節(jié)電池的性能再優(yōu)良、質(zhì)量再好，若配組使用的各單體電池特性不一致，都會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池過(guò)充和過(guò)放情況的嚴(yán)重不一致，就內(nèi)部單體電池而言，串聯(lián)使用比單個(gè)使用更容易發(fā)生過(guò)充和過(guò)放現(xiàn)象，且不易發(fā)現(xiàn)。任意一個(gè)電池的特性加劇惡化時(shí)，將導(dǎo)致電池組內(nèi)其它電池發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)的連鎖性、加劇性損壞。電池組的品質(zhì)由其中質(zhì)量最差的一只電池決定，一只電池質(zhì)量差不僅影響了整個(gè)電池組的性能，還會(huì)引起惡性的連鎖反應(yīng)，使差的更差，好的也會(huì)迅速變差。為解決上述問(wèn)題，目前通用的做法是將單體電池精選配對(duì)，組合成優(yōu)質(zhì)的電池組，最大限度地減小單體電池間的差異。

就算動(dòng)力鋰離子電池組解決了配組的前期技術(shù)問(wèn)題，電池組在使用中亦會(huì)使其特性產(chǎn)生變化，目前對(duì)電池組在使用中由于特性變化產(chǎn)生的導(dǎo)致電池組整體特性急劇衰退和部分電池加速損壞的現(xiàn)象，并無(wú)有效的解決辦法，只能在電池組充、放電過(guò)程中檢測(cè)到有一個(gè)電池處于過(guò)充或過(guò)放狀態(tài)，保護(hù)電路就將整個(gè)充、放電電路關(guān)斷。由于上述原因，動(dòng)力鋰離子電池組在實(shí)際使用中(特別是充電時(shí))解決各單節(jié)鋰電池在電池組中的平衡問(wèn)題極為重要。目前國(guó)外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和無(wú)能耗的方法。

3.5.1.1能耗均衡方法

典型的方法是利用發(fā)熱電阻旁路分流，旁路分流均衡法原理圖如圖3-9所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2……Kn為MCU控制的多路開(kāi)關(guān)，R1、R2…… Rn，為放電平衡電阻。當(dāng)電池組充電時(shí)充電電流I在各節(jié)電池中都相等。當(dāng)某節(jié)(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過(guò)某值時(shí)，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)K2合上，B2通過(guò)R2分流，使B2電壓下降，如此反復(fù)循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案簡(jiǎn)單、可靠，但電阻會(huì)消耗電能并發(fā)熱，使用中需注意選取電阻阻值及功率，其最大的缺點(diǎn)是放電(工作)使用中，各單元平衡則白白消耗了鋰離子電池組的電能。

3.5.1.2無(wú)能耗的均衡方無(wú)能耗的均衡方法是利用一個(gè)活動(dòng)的分流元件或電壓或者電流轉(zhuǎn)換器件來(lái)將能量從一節(jié)單體轉(zhuǎn)移到另一節(jié)單體。這些器件可以是模擬的，也可以是數(shù)字的。兩種主要的方法是電容平衡和能量轉(zhuǎn)換。

電容平衡原理圖如圖3-9所示。B1、B2……Bn為組成鋰離子電池組的各單元電池，K1、K2……Kn為MCU控制的多路開(kāi)關(guān)，C為平衡電容。當(dāng)電池組充電時(shí)，若某節(jié)(例如：B2)電池電壓高于其他電池超過(guò)某值、而B(niǎo)3最低，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)K2，K3合上，KA、KB都切換在a點(diǎn)，B2通過(guò)K2、K3、KA、KB向C充電，在C充滿電后，MCU控制的多路開(kāi)關(guān)K3、K4合上，KA、KB切換都在b點(diǎn)，電容C通過(guò)K4、K3、KA、KB向B3釋放電能，使B2電壓下降，B3電壓上升，如此反復(fù)循環(huán)n次使得鋰離子電池組各單元電池能平衡充電。此方案亦較為簡(jiǎn)單、可靠，但使用中應(yīng)注意掌握好電容充放電時(shí)間，其最大的優(yōu)點(diǎn)是充、放電(工作)使用中，都可平衡各單元電池的功能，且不消耗鋰離子電池組的電能。