一種基于分布式電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計

賈利浦 鄭帥 孫春峰

摘要：本文針對業(yè)界需求提出了一種分布式電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計方案，詳細(xì)介紹了單體電池采集板的設(shè)計。單體電池控制板采用低功耗的MPS430FR2100單片機作為主控單元，設(shè)計了電壓測量模塊、溫度采集模塊、電流采集模塊、電池均衡模塊、通信模塊以及狀態(tài)顯示模塊。測試實驗表明，本系統(tǒng)電路就地直接測量電池電壓，測量更加準(zhǔn)確。同時，因為測量設(shè)備是被測電池的從屬設(shè)備，測量過程也可以不受常規(guī)噪聲的干擾。

關(guān)鍵詞：電池管理；分布式；低功耗；MSP430FR2100

對于動力鋰電池組的管理，傳統(tǒng)設(shè)計方案一般采用集中式管理。首先，采集單元對電池組中每塊電池的單體電壓、溫度、充放電電流等參數(shù)進行采集，然后利用中央處理單元對電池參數(shù)進行分析計算，以此確定電池組的剩余電量，并記錄數(shù)據(jù)以備分析。這種管理系統(tǒng)存在較為明顯的缺陷：首先，使用單一的控制單元對幾十、數(shù)百的單體電池進行參數(shù)采集、計算、通信、顯示，系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，當(dāng)其中某組電池出現(xiàn)故障會影響整個系統(tǒng)工作；其次，電傳動車輛空間緊湊，動力電池呈分布式布置，控制單元往往與電池有較長距離，這樣信號從電池到微控制器間的傳輸非常容易受到電動汽車內(nèi)部功率器件、高壓和大電流動力線工作時產(chǎn)生的電磁干擾的影響，導(dǎo)致測量精度下降，從而在計算電池參數(shù)時不一定能真實反映電池的實際工作狀態(tài)，最后引起電池剩余電量計算的不準(zhǔn)確甚至錯誤；且集中式管理的可擴展性和可移植性差，對于不同的電池組結(jié)構(gòu)、不同數(shù)量的電池，都需要重新進行系統(tǒng)設(shè)計，嚴(yán)重影響了電池管理系統(tǒng)的通用性。

本文為分布式電池管理系統(tǒng)提供了可行的電路方案。分布式電池管理系統(tǒng)中，核心問題為單體電池的電路控制，本文對其經(jīng)行了詳細(xì)的介紹。

1 單體電池電路

1.1 主控制器選型

MSP430FR2100微處理器是單體電池電路板的核心。它負(fù)責(zé)測量電池的電壓和溫度，驅(qū)動均衡負(fù)載，還負(fù)責(zé)與中央處理器進行通信。微處理器工作電范圍寬1.8V3.6V；功耗低，待機電流不超過1uA。另外，此微處理器功能強大，配備了8路10位AD轉(zhuǎn)換器、1.5V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、片上振蕩器、一個UART通信口。

1.2 電源電路設(shè)計

電源電路設(shè)計了熔斷器，具有過流保護作用，設(shè)計了TVS管，具有過壓保護作用。同時設(shè)計了LC濾波器，可以濾除掉電池上產(chǎn)生的一些高頻電壓噪聲信號。調(diào)壓器采用一個固定電壓為2V的TLV713。

TLV713芯片特點：

（1）輸入電壓范圍：1.4V 至 5.5V；

（2）極低壓降：150mA 時為230mV；

（3）使用或不使用電容時均可穩(wěn)定運行；

（4）低IQ：50μA；

（5）折返過流保護；

（6）封裝小：1mm × 1mm 4引腳X2SON。

1.3 電壓采集和溫度采集電路

由兩個精準(zhǔn)電阻器構(gòu)成的電壓分壓器將電池電壓降低至低于基準(zhǔn)電壓，如圖1。MSP430FR2100內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為1.5V，電阻分壓后是電池電壓的1/4，大約為0.5V1.1V。兩個電阻阻值必須非常大，從而保證不會產(chǎn)生旁路電流。

LPV802是超低功耗運算放大器，適用于由電池供電的低功耗設(shè)備中的感測應(yīng)用。LPV802 放大器的帶寬為8kHz，靜態(tài)電流為320nA，可最大限度降低運行電池壽命至關(guān)重要的設(shè)備消耗的功率。除超低功耗特性外，LPV802 放大器還具有實現(xiàn)毫微微安偏置電流的CMOS 輸入級。LPV802 放大器還特有一個負(fù)軌感測輸入級和一個相對于電源軌的擺幅為毫伏級的軌到軌輸出級，從而盡可能保持最寬的動態(tài)范圍LPV802 設(shè)有電磁干擾（EMI） 保護，可降低來自手機、WiFi、無線電發(fā)射器和標(biāo)簽閱讀器的無用射頻信號對系統(tǒng)造成的影響。

電池管理系統(tǒng)對溫度的采集精度要求并不高，更多的是考慮溫升所帶來的安全性問題。因此考慮到單體電池電路的成本，溫度傳感器采用價格低廉的熱敏電阻作為溫度傳感器。通過電阻分壓的方式來獲取熱敏電阻的阻值。為了控制輸入電壓在微處理器AD參考電壓（MSP430FR2100內(nèi)部參考電壓為1.5V）范圍內(nèi)，熱敏電阻并聯(lián)電阻后在進行分壓。VT的計算公式為

其中為電源電壓2V。由式（2）可以看出RT越大，越大。

1.4 均衡負(fù)載及狀態(tài)顯示

本系統(tǒng)設(shè)計中采用更加經(jīng)濟實用的被動均衡方式，使用大功率電阻作為被動負(fù)載，應(yīng)用MOSFET對電池進行均衡控制。通過LED實現(xiàn)對單體電池電路板均衡狀態(tài)及其他活動狀態(tài)進行視覺反饋。如圖2。

1.5 單體電池采集板與中央處理單元的通信

圖3所示電路通過兩個光電隔離器實現(xiàn)單體電池電路板和總線的隔離。其中一個光電隔離器用于前級單體電池電路板與微處理器UART的RX輸入之間，接收中央處理單元發(fā)出的數(shù)據(jù)；另一個則應(yīng)用于微處理器UART的RX輸出與后級單體電池電路板之間，用于向主控制器傳送數(shù)據(jù)。

2 電流采集模塊設(shè)計

在電池管理系統(tǒng)中，不必每個單體電池都采集電流數(shù)據(jù)，只需要每個串聯(lián)支路安裝一個電流采集器，這就大大節(jié)省了系統(tǒng)成本。在本系統(tǒng)中電流采集采用萊姆公司的HC2F80S電流互感器，最大電流達80A，并且以模擬電壓量進行輸出。HC2F80S供電電壓為5V，為此設(shè)計了升壓泵TPS61222為其供電。HC2F80S輸出濾波后，進行分壓供MSP430FR2100的AD采集電流數(shù)據(jù)。電路圖如圖9所示。

3 結(jié)論

本文提出的分布式電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計方案，更多的考慮了硬件成本。單體電池采集電路的主要器件在選型上都在滿足功能需求的前提下，最大程度的節(jié)省單體電池采集電路的成本。同時也比較注重器件的功耗，旨在減小電池管理系統(tǒng)本身的功耗。實驗表明，本系統(tǒng)電路測量電池電壓準(zhǔn)確同時，抗干擾能力強，更換電池方便，實用性強，為市場提供了一種可行的分布式電池管理系統(tǒng)實施方案。

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