微控制器的鋰電池監(jiān)測系統(tǒng)

東南大學成賢學院電子與計算機工程學院 許繼偉 邵 騰 呂詩璐

新能源汽車在國家政策下的得到巨大的發(fā)展。廣大的購車人士在購買新能源汽車的時候往往會關注汽車能源方面的問題。由于鋰電池具有高比能，循環(huán)次數(shù)多，自然放電率低等優(yōu)點成為大部分新能源汽車的主要選擇。根據(jù)最新的調(diào)研數(shù)據(jù)：表明國的新能源汽車銷量有明顯地提升，速度增長呈現(xiàn)為上升趨勢，在所有銷售的新能源汽車三元鋰電池一度高達70%，在對用戶地調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，購車人士在買車時對于電池技術過硬、電池安全性及續(xù)駛里程長的比例分別達到44.6%、42.2%、42.2%。由此可知，人們對電池技術和安全性的重視。鋰電池具有良好的性能指標，單節(jié)的鋰電池能達到3.7V～4.2V，隨著電池方面的儲能技術的提升和生產(chǎn)工藝改進。涉及鋰電池的充放電的專用芯片在用電設備上是十分常見，但是這些芯片往往需要配上額外的電路才能使用，也只能提供了一些充放電管理和簡單的保護。這些只能滿足于些小型設備，像新能源汽車這些對充電和放電兩個環(huán)節(jié)尤其重要并要求精度高的大型設備無法滿足。

在市場的芯片分為單獨使用的和帶微機控制接口的。一種只能簡單實現(xiàn)對電池的充放電的保護，另一種能實現(xiàn)與處理設備一同工作，也能參與更加復雜的工作，便于更好的檢測。由于這些芯片是集成化的，功能發(fā)面往往具有單一化，導致靈活性差，嚴重的限制芯片在電池檢測方面的使用。

1 方案設計

利用單片機、PLC技術和電力電子技術融合。能夠設計出一個對鋰電池智能檢測系統(tǒng)（如圖1）。電力電子器件有良好的性能，它們可以有效地降低鋰電池在充電時的功率損耗。單片機將采集A/D數(shù)據(jù)（充放電時的電池電壓和電流值）并轉化為數(shù)字信號，便于精確知道電源中的參數(shù)情況，也會采集溫度等信號并進行監(jiān)控，同時也將采集的數(shù)據(jù)上傳到微控制器進行處理。依據(jù)單片測定這些參數(shù)對電池的充電狀態(tài)，剩余電量的計算，同時也能利用PLC技術對電池的充放電狀態(tài)進行檢測和控制，對充放電的電壓電流和溫度異常分析和處理。在電力電子，PLC，單片機的組合下，提高了對電源監(jiān)控的分析和處理性能，避免發(fā)生電池故障，提高電池的安全系數(shù)。

圖1 單片機對電池的檢測模型

2 實驗步驟

2.1 對電池的充電的測定（如圖2）

圖2 鋰電池的充電過程

對電池充電曲線的測定，方便我們在監(jiān)測鋰電池充電電壓電流進行比較，也會對參數(shù)發(fā)生變化的趨勢提供參考。

2.2 溫度監(jiān)測模塊

溫度監(jiān)測模塊使用的是ML X90614作為紅外探頭，連接到單片機上，收集溫度數(shù)據(jù)。MLX90614一款無接觸式的紅外線溫度感應芯片，避免與電池接觸，對監(jiān)測電池發(fā)生局部發(fā)熱的彌補。監(jiān)測的范圍為-20°C～120°C，精度為0.14。精度很高，對溫度的變化很敏感。對電池的安全性有巨大的保證。

2.3 充電保護和電路監(jiān)測

對于充電保護采用的是芯片TP4056。TP4056是對于單個電池的充電保護，集成程度較高，也有對電池充電的溫度也有一定控制，在充電時的電流也會根據(jù)電池容量進行一定的改變，保證電池較高的效率。pcf8591是將電路中的充放電是電流電壓的進行采集，在一定的條件下，計算電池中的剩余電量。

2.4 串口通信和上位機的控制

將單片機采集的數(shù)據(jù)進行簡單地處理。保存在單片機內(nèi)，利用單片機的串口通信的功能，將儲存的數(shù)據(jù)上傳到上位機。上位機接受的數(shù)據(jù)進行處理并分析，將接受的剩余電量的數(shù)據(jù)和電路中的參數(shù)，計算出還需要多少時間。上位機也會顯示數(shù)據(jù)并用波形顯示充電曲線，根據(jù)上面的曲線進行比較，突出充電的出現(xiàn)的警報狀態(tài)，持續(xù)報警時間過長或當某個重要的參數(shù)達到警戒值后斷開充電。也會對電池的溫度進行監(jiān)測，當溫度到一定的時可以啟動風扇進行降溫。在降溫后如果還是持續(xù)升溫，會利用電力電子器件將斷電處理。在上位機顯示各種數(shù)據(jù)，可以向操作人員提供參考。

3 實驗結果

編寫代碼，將電壓、電流和溫度等一些參數(shù)由模擬信號，采集編碼成數(shù)字信號和利用參數(shù)計算一些例如剩余電量，也會連接風扇和電力電子器件。利用串口將采集的數(shù)據(jù)上傳到上位機。我們用visual studio編寫上位機。將單片機上傳地數(shù)據(jù)進行采集編碼，主要的問題是將單片機上傳數(shù)據(jù)流轉變成有用的數(shù)據(jù)，所以在數(shù)據(jù)上傳地時候，設置標識符來保證單片機上傳地數(shù)據(jù)有用。提高數(shù)據(jù)有效性，將這些采集的數(shù)據(jù)進行計算，繪出電流的波形和預計充電時間。在計算預計時間時要根據(jù)電池充電的波形進行比較。這樣可以有效的減少充電過程電壓電流變化影響的時間誤差。在放電低于預定放電的值時，上位機會發(fā)送停止充電的信號，然后利用電力電子器件來實現(xiàn)對斷電指令。

結論：本次實驗是對于單節(jié)電池各項性能指標監(jiān)測。電池在充放電的過程中進行采集數(shù)據(jù)，分析并操控單片機對電池管理。但是產(chǎn)品也有些不足的地方，在本次實驗上我只是做了單節(jié)，而沒有進行電池組的實驗。尤其是在電池損壞后，進行電流分配的問題。我們的實驗成品可以進行一定變化，去適應各種情況。最近些年有許多火災是電瓶充電發(fā)生的故障。造成大量的人員傷亡和財產(chǎn)損失。我們的產(chǎn)品可以避免這種情況的發(fā)生，保證人們的生命財產(chǎn)安全。成本低廉，易于實現(xiàn)，適用于大多數(shù)大中小需求鋰電池，也可以拓展技術要求高的設備等。為了滿足更多的需求，本設計還需要創(chuàng)新更多實用功能。