鋰電池狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 凱, 何赟澤, 于 湛

(1. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與交通學(xué)院, 廣東 深圳 518055；2. 湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

目前動(dòng)力電池使用的主流電池是鋰電池(包括三元電池在內(nèi)),鋰電池雖然在能量密度、功率密度等方面有突出表現(xiàn),但是其安全性自從其應(yīng)用以來一直受人關(guān)注。鋰離子電池產(chǎn)生故障的原因多種多樣,主要有電池單體制造質(zhì)量問題、電池一致性不夠帶來的風(fēng)險(xiǎn)以及使用不當(dāng)和意外事故造成的危害。目前條件下,除了要改進(jìn)電池制造工藝、加強(qiáng)規(guī)范操作和安全冗余度設(shè)計(jì)等工作外,加強(qiáng)對(duì)汽車動(dòng)力電池日常巡檢、加裝狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是減少其故障的重要途徑。有效的狀態(tài)監(jiān)控可提早發(fā)現(xiàn)問題,并采用針對(duì)措施防止故障升級(jí)[1]。為方便開展相關(guān)理論研究,本文設(shè)計(jì)制作一套電池管理系統(tǒng),能夠?qū)﹄姵仉妷?、電流、溫度及荷電狀態(tài)等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)組成

鋰電池狀態(tài)監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)主要包含主控、測(cè)量、診斷、顯示和報(bào)警等子模塊單元,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 鋰電池狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計(jì)思路：在主控模塊控制下,實(shí)時(shí)測(cè)量鋰電池電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)并進(jìn)行LCD顯示,對(duì)測(cè)量值進(jìn)行閾值診斷并進(jìn)行聲光報(bào)警。鋰電池電壓信號(hào)直接通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送主控芯片處理。電流信號(hào)需要經(jīng)過電流傳感器芯片得到一個(gè)與電流成線性關(guān)系的電壓值,再將其輸入數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后送主控芯片。溫度信號(hào)直接由溫度傳感器采集,輸入主控芯片處理。SOC測(cè)量方法采用容量積分法,該方法是一種常見的電量累計(jì)方法,通過累積電池在充電或放電時(shí)的電量來估計(jì)電池的SOC,并根據(jù)電池的電壓、溫度、放電率等對(duì)數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償。本系統(tǒng)實(shí)際計(jì)算時(shí)會(huì)采用電流i(t)和時(shí)間t相乘并累加的辦法估算該數(shù)據(jù)[2-3]。SOC計(jì)算如下：

(1)

(2)

其中C放為電池的放電量,C額為電池額定容量。

測(cè)量結(jié)果由主控芯片處理后由液晶顯示,當(dāng)電池狀態(tài)發(fā)生異常(如過流)時(shí),聲光報(bào)警模塊發(fā)出相應(yīng)警示,并可自動(dòng)采取保護(hù)措施(如限流或斷電)。

1.1 主控模塊

本系統(tǒng)主控芯片采用STC12C5A60S芯片,該芯片功能強(qiáng)、速度快、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低、還具有可反復(fù)進(jìn)行擦寫、斷電數(shù)據(jù)不丟失等優(yōu)勢(shì)。使用時(shí)可直接將編好的程序用ISP軟件下載到芯片中,執(zhí)行相應(yīng)的控制處理功能。

本電池管理監(jiān)控系統(tǒng)主控芯片為40引腳的雙列直插芯片,其I/O口都能夠獨(dú)立作為輸出或輸入,如圖2所示。芯片18和19引腳外接時(shí)鐘電路,TXAL1及TXAL2外接晶振和微調(diào)電容。第9引腳為復(fù)位輸入端,外接基本分立器件構(gòu)成復(fù)位電路。

圖2 系統(tǒng)主控制器原理圖

1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊

該模塊采用ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片(見圖3),該芯片是8腳雙列直插式雙通道A/D轉(zhuǎn)換器,能分別對(duì)兩路模擬信號(hào)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換,可以在單端輸入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式,芯片模擬電壓輸入在0～5 V之間,通過DI數(shù)據(jù)輸入端進(jìn)行通道選擇、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳送,8位分辨率(最高分辨力達(dá)256級(jí)),可適應(yīng)普通模擬轉(zhuǎn)換要求,并且模數(shù)轉(zhuǎn)換速度快、穩(wěn)定性能好[4]。

圖3 ADC0832引腳圖

ADC0832工作時(shí),被測(cè)的電壓進(jìn)行通道選擇并進(jìn)入CH0或者CH1通道,采用串行通信方式。CS、CLK、DI、DO與單片機(jī)P3接口相連,當(dāng)使能端CS電平為低時(shí),ADC0832開始工作,單片機(jī)同時(shí)向AD發(fā)送時(shí)鐘信號(hào),依據(jù)DO和DI確定通道信號(hào),實(shí)現(xiàn)模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換,送入處理器進(jìn)行處理。

1.3 電流傳感器

電流測(cè)量的常見方式有分流器、互感器和霍爾電流傳感器3種。分流器優(yōu)勢(shì)在于價(jià)格較低、精度較高、適應(yīng)交直流等各種場(chǎng)合,但需要將精密電阻插入電路,無電氣隔離；互感器使用簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)電氣隔離,但是不能測(cè)量直流大小；霍爾傳感器方便易用,測(cè)量結(jié)果的精度和線性都較好,可用于交、直流和脈沖電流。經(jīng)過對(duì)比,選擇霍爾傳感器方式測(cè)量電流,系統(tǒng)采用ACS712ELCTR-05B型霍爾式電流互感器。霍爾元件因磁場(chǎng)感應(yīng)出線性電壓信號(hào),經(jīng)過芯片放大、濾波等調(diào)理過程,從芯片管腳輸出處理后的電壓信號(hào),此信號(hào)準(zhǔn)確反映流經(jīng)銅箔電流大小[5],總的輸入與輸出在量程區(qū)間呈現(xiàn)優(yōu)良的線性關(guān)系(見圖4)。本系統(tǒng)選用的ACS712-05B量程為5 A,靈敏度系數(shù)r=185 mV/A。由于斬波電路的緣故,電壓輸出會(huì)疊加在0.5Vcc上,因而輸出與輸入的數(shù)學(xué)關(guān)系為Vout=0.5Vcc+Ipr。

圖4 ACS712輸入輸出線性關(guān)系

芯片的Vcc通常為5 V,因此有

Vout=2.5+0.185Ip

(3)

其中,Vout為傳感器輸出電壓,Ip為所測(cè)量的電流數(shù)值。

根據(jù)此公式獲得輸出電壓即可通過軟件程序計(jì)算出電流值。

1.4 溫度傳感器

溫度測(cè)量采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,其測(cè)量精度高、量程寬。該測(cè)溫芯片只需1條通信數(shù)據(jù)線,僅占用1個(gè)處理器端口,且無需配置模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,做到了經(jīng)濟(jì)性和易用性的統(tǒng)一,當(dāng)陣列對(duì)象需要同時(shí)進(jìn)行溫度監(jiān)控的場(chǎng)合尤其方便(如電動(dòng)汽車動(dòng)力電池)。

該芯片外觀及典型應(yīng)用電路如圖5所示,其主要性能特點(diǎn):可通過數(shù)據(jù)線供電,電壓范圍為3.0～5.5 V；測(cè)溫范圍為-55～+125 ℃；獨(dú)特的單線接口,無需其他元件,僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；多個(gè)傳感器可并聯(lián)使用,方便組網(wǎng)；可識(shí)別并標(biāo)定超過程序設(shè)定的溫度(即報(bào)警條件)[6]。

圖5 DS18B20測(cè)溫芯片外觀及其典型應(yīng)用電路

1.5 顯示模塊

本電池管理監(jiān)控系統(tǒng)顯示模塊選用LCD1602液晶顯示器。該器件具有功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),近年來在單片機(jī)控制的智能儀表和消費(fèi)電子產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用[7]。除液晶顯示模塊外,本系統(tǒng)還設(shè)置了LED指示燈及蜂鳴器報(bào)警的方式對(duì)異常信息進(jìn)行輸出提示。

LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種,其原理及控制器基本一致,帶背光的比不帶背光的厚,二者使用方法幾乎相同。該顯示器主要技術(shù)參數(shù):顯示容量為16×2個(gè)字符，片工作電壓為4.5～5.5 V，工作電流為2.0 mA(5.0 V)，模塊推薦工作電壓為5.0 V，字符尺寸為2.95 mm×4.35 mm(W×H)。LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳(無背光)或16腳(帶背光)接口,引腳功能見表1。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路,電池信息測(cè)量監(jiān)控分為4個(gè)模塊，即電壓采集、電流采集、溫度采集和電量計(jì)算(間接計(jì)算SOC),其他模塊還包括按鍵掃描、診斷控制、LCD顯示和報(bào)警模塊,分別進(jìn)行程序設(shè)計(jì),并利用主程序調(diào)用。本系統(tǒng)的軟件流程見圖6。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化,ADC0832通過CH0和CH1腳采集電壓和電流信號(hào),DS18B20溫度傳感器同時(shí)采集溫度信號(hào),各種信號(hào)送入主控芯片進(jìn)行處理數(shù)據(jù),在此過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行電量累積從而間接獲得荷電狀態(tài)(SOC)[8],相關(guān)數(shù)據(jù)通過LCD1602顯示。診斷和報(bào)警模塊用于比較當(dāng)前測(cè)量值和閾值,并在異常時(shí)給出報(bào)警信號(hào)。當(dāng)測(cè)量值超出正常閾值時(shí),LCD顯示異常信息,同時(shí)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)故障LED燈閃爍,發(fā)出蜂鳴。當(dāng)發(fā)生相關(guān)異常情況時(shí),程序可由控制單元驅(qū)動(dòng)繼電器進(jìn)行電路切斷的保護(hù)動(dòng)作。以電壓信號(hào)處理為例,如采集到的電壓信號(hào)高于最高允許電壓或低于最低允許電壓時(shí),LCD會(huì)輸出“過壓”或“欠壓”報(bào)警信號(hào)并切斷電路,否則只正常顯示電壓值。

3 測(cè)試與討論

根據(jù)以上原理設(shè)計(jì)出硬件檢測(cè)和控制電路,并編制處理程序,制作的電池參數(shù)測(cè)量監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)實(shí)物見圖7。系統(tǒng)選用18650鋰離子電池(不帶保護(hù)板)作為測(cè)試對(duì)象,其額定容量為3 400 mAh,額定電壓為3.7 V,負(fù)載選用可調(diào)電阻。上電初始化結(jié)束后,液晶屏開始實(shí)時(shí)顯示電池電壓、電流、溫度、SOC數(shù)值,當(dāng)電壓高于4.3 V及低于2.7 V時(shí)提示“過壓”及“欠壓”,同時(shí)相應(yīng)指示燈閃爍；放電電流大于設(shè)定電流(如10 A)時(shí)過流指示燈閃爍；溫度值高于設(shè)定值(如60 ℃)時(shí)過溫指示燈閃爍；SOC低于設(shè)定值(如20%)時(shí)同樣方式進(jìn)行低電量報(bào)警；以上情景在指示燈閃爍的同時(shí)蜂鳴器報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明,本系統(tǒng)可以完成預(yù)定的設(shè)計(jì)功能,具體測(cè)試情景見表2。

圖7 電池測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物

表2 電池狀態(tài)監(jiān)控報(bào)警情況列表

注:LCD負(fù)責(zé)電壓、電流、溫度和容量的數(shù)值顯示與異常情況提醒,LED紅綠狀態(tài)起輔助提醒作用,蜂鳴器在LED紅燈亮?xí)r發(fā)出間斷嘀嘀聲。

4 結(jié)論

本鋰離子電池管理系統(tǒng)目前可檢測(cè)電池(單體)的電壓、工作電流、電池溫度、電池荷電狀態(tài)(SOC)等基本參數(shù),且測(cè)量誤差較小。后期該系統(tǒng)可以很方便進(jìn)行改進(jìn),加裝煙霧傳感器、CO氣體傳感器、光照傳感器等相應(yīng)器件,即可更真實(shí)和多樣化地模擬實(shí)際電池故障的報(bào)警環(huán)境,亦可以成組陣列使用對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控與報(bào)警。

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