基于單片機控制的電動車鋰電池組設計 - 全文

　　隨著電動自行車的逐漸普及，電動自行車的主要能源---鋰電池也成為眾人關心的焦點。 鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，因其能量密度高，對充放電要求很高。 當過充、過放、過流及短路保護等情況發(fā)生時，鋰電池內的壓力與熱量大量增加，容易產生爆炸，因此通常都會在電池包內加保護電路，用以提高鋰電池的使用壽命。 針對目前電動車鋰電池組所用的保護電路大多都由分立原件構成，存在控制精度不夠高、技術指標低、不能有效保護鋰電池組等特點，本文中提出一種基于單片機的電動車36 V鋰電池組（由10節(jié)3. 6 V鋰電池串聯(lián)而成）保護電路設計方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 單片機作為檢測和控制核心，用由MC34063構成的DC /DC變換控制電路為整個保護電路提供穩(wěn)壓電源，輔以LM60 測溫、MOS管IRF530N作充放電控制開關，實現(xiàn)對整個電池組和單個電池的狀態(tài)監(jiān)控和保護功能，達到延長電池使用壽命的目的。

　　1 保護電路硬件設計

　　本系統(tǒng)以單片機為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，將任務設計分解為電壓測量、電流測量、溫度測量、開關控制、電源、均衡充電等功能模塊。 系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

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圖1 系統(tǒng)的總體框圖

　　電池組電壓、電流、溫度等信息通過電壓采樣、電流采樣和溫度測量電路，加到信號采集部分的A /D輸入端。 A /D模塊將輸入的模擬信號轉換為數(shù)字信號，并傳輸給單片機。 單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實時監(jiān)控電池組的各項性能指標和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅動大功率開關。 由于使用了單片機，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實現(xiàn)各種復雜控制，從而能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展和性能改進。

　　1. 1 ATmega16 L單片機模塊

　　從低功耗、低成本設計角度出發(fā)，單片機模塊采用高性能、低功耗的ATmega16 L單片機作為檢測與控制核心。 ATmega16 L 是基于增強的AVRR ISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，內部帶有16 k 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash, 512 字節(jié)EEPROM, 1 k字節(jié)SRAM, 32個通用I/O口線， 32個通用工作寄存器（用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內調試與編程） , 3個具有比較模式的靈活定時器/計數(shù)器（ T/C） （片內/外中斷） ,可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口， 8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（ TQFP封裝）的ADC,具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SP I串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。 由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 L的數(shù)據(jù)吞吐率高達1M IPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。

　　單片機的輸入輸出設計如圖2所示。 由電源部分降壓、穩(wěn)壓得到的3. 3 V電壓通過端口10為單片機提供工作電壓；端口12和13為反向振蕩放大器與片內時鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機提供工作晶振；端口30是端口A與A /D轉換器的電源，使用ADC時通過一個低通濾波器與端口10的VCC連接；端口37,38的ADC3, ADC2是經(jīng)過轉換后待檢測的電壓、電流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是經(jīng)過溫度傳感器轉換后的溫控電壓值。

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圖2 單片機的外圍電路設計

　　1. 2 穩(wěn)壓電源模塊

　　穩(wěn)壓電源是單片機系統(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)的技術指標和抗干擾性能。 ATmega16 L單片機的工作電壓為2. 7~5. 5 V,為保證單片機穩(wěn)定的工作電壓為3. 3 V. 穩(wěn)壓部分是由MC34063構成的DC /DC變換控制電路，從電池組分出的25 V電壓經(jīng)過電路降壓、穩(wěn)壓，輸出3. 3 V,供保護電路工作，其電路如圖3所示。

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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)電池的外部搭建過壓保護電路，充電過程中當電壓超過預定值時，保護電路自動閉合，使電池通過電阻回路放電，以保護電池不會過度充電。 當電池電壓減小到均衡充電動作電壓4. 18 V時，保護電路自動斷開。

　　1. 4 電壓電流測量模塊

　　待測的電壓通過集成運算放大器LM358,將輸出送至單片機進行檢測。 LM358內部包括2個獨立、高增益、內部頻率補償?shù)碾p運算放大器，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 檢測直流電流。 UGN -3501M是集成型霍爾傳感器，采用差動霍爾電壓輸出，檢測靈敏度為1. 4 V /0. 1T.

　　電壓電流檢測電路的設計如圖4 所示。 運算放大器LM358的5, 6引腳所接的BB,AA為待測的充電、放電電壓，經(jīng)過放大后由7腳輸出至單片機進行檢測，當檢測到待測電壓達到過充、過放保護電壓時，由單片機控制斷開充放電回路。 電流檢測通過霍爾傳感器完成，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)過放大后從1 腳輸出ADC3 至單片機，進行過電流保護。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引腳連接調整電位器，用以補償不等位電勢，同時改善線性。 調整5, 6引腳外接電阻R16,可使輸出霍爾電壓uH 與磁場強度有較好的線性關系。

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圖4 電壓電流檢測電路

　　1. 5 溫度檢測模塊

　　溫度檢測和控制模塊選用電壓輸出型的半導體溫度傳感器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. 信號輸出與溫度成正比，信號大小可達+ 6. 25 mV /℃。

　　基于LM60的溫度檢測電路如圖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)過溫度傳感器將探測點的溫度轉化為電壓值通過ADC0,ADC1輸出，再將ADC0, ADC1送入單片機進行檢測，當電壓值達到溫控要求時，單片機控制開關通斷。

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圖5 溫度檢測電路

　　1. 6 開關模塊

　　開關采用MOSFET,型號選用P溝道的MOS管的IR530N. 工作原理：單片機控制端口輸出高電平，功率三極管導通，功率場效應管的柵極和漏極之間產生壓降，功率場效應管導通。

　　2 軟件設計

　　本系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，處理程序采用模塊化編程， 程序運行的環(huán)境是ICCAVR 開發(fā)系統(tǒng)。

　　在電池組空載的時候，系統(tǒng)進入掉電模式，以使功耗降至最低；當電池組接入負載或對電池組充電時，單片機被激活，由低功耗掉電模式轉入正常工作模式，并持續(xù)運作。 整個程序的流程如圖6所示。

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圖6 程序流程

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

　　void main （ void）

　　{

　　int （ ） ;? / /單片機初始化，打開所有開關；

　　sleep （ ） ;? / /單片機進入休眠模式；

　　int sign︱ = 1;

　　while （ sign = = 1 ）? / /判斷系統(tǒng)是否運行正常；

　　{ int（ ） ;

　　dianya （ ） ;? / /調用測壓模塊；

　　delay（30000） ;

　　delay（30000） ;

　　dianliu （ ） ;? / /調用測流模塊；

　　delay（30000） ;

　　delay（30000） ;

　　wendu （ ） ;? / /調用溫度模塊；

　　delay（30000） ;

　　delay（30000） ;

　　}

　　int （ ） ;

　　sign︱ = 1;

　　main （ ） ;

　　}

　　3 結束語

　　通過實驗，本保護電路系統(tǒng)實現(xiàn)了全部基本功能。 與傳統(tǒng)采用分離元件的電池保護系統(tǒng)相比，本文中提出基于單片機的電池保護電路系統(tǒng)具有系統(tǒng)體積小、功能多、功耗低、成本低等特點，可用于工業(yè)生產。