一種低功耗鋰電池智能管理器設計

張秋艷，王兆華，高平安，汪易

（1.榆林學院 能源工程學院，陜西 榆林 719000；2.榆林市氣象局，陜西 榆林 719000）

0 引 言

由于鋰電池自放電率低，體積小，能量比高等優點，越來越受到人們的青睞，尤其近年來能源消耗越來越大，電動汽車已經漸漸興起，而鋰電池由于其突出優點，而成為電動汽車動力源的新秀。為了確保動力鋰離子電池的安全可靠運行、避免發生著火、爆炸等危險，必須為鋰離子電池配備智能、高效的電池管理系統進行有效的安全性和可靠性管理。通過電池管理系統，可以對電池組進行有效的監控和管理，提高電池組的使用效率和使用壽命，從而降低運行成本，增強電池組的可靠性。因此，本設計以MSP430 為控制核心，通過對鋰電池電壓、電流、溫度等參數的實時采集，并對其進行分析處理，設計過壓過流等保護電路，保證鋰電池的安全運行，并將運行信息實時顯示，同時通過Wi-Fi 上傳到服務器、手機APP 等便攜式顯示終端，實現鋰電池智能控制的遠程監測。

1 總體方案設計

鋰電池智能管理系統由采樣端，主控制器，輸出端三部分組成。其中，采樣端包括電壓采集，電流采集，溫度采集等檢測環節，主要收集電池安全運行的基本信息以及用戶操控信息等；主控制器選用16 位單片機MSP430G2553，該芯片不僅功耗低，而且內嵌A/D 轉換，避免了系統使用專用模數轉換芯片帶來的功耗，從而降低系統整體功耗，主控制器對采集到的電池信息進行分析與處理，并發送給輸出端，進行電池的過壓過流保護等控制；輸出端為LCD 顯示器以及Wi-Fi 單元設計，實現人機交互信息功能等，系統總體方案設計如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

2 主要硬件電路設計

系統主要硬件電路包括電源電路、電壓/電流/溫度采集電路、顯示電路、電路防反接過壓過流保護電路、Wi-Fi通訊電路等。

2.1 電源電路設計

MSP430G2553 單片機供電電源只需要3.3 V，本設計采用性價比較高的LM1117-3.3 穩壓芯片。如圖2所示，在輸入電壓濾波時采用極性電容C1（47 μF）和非極性電容C2（0.1 μF）并聯對其濾波，在輸出電壓濾波時采用極性電容C3（47 μF）和非極性電容C4（0.1 μF）并聯對其濾波.通過這種方式減少高低頻的干擾信號，使其平穩的輸出3.3 V 的穩定電壓。

圖2 電源電路

2.2 溫度采集電路

設計溫度數據采集使用DS18B20 數字溫度傳感器，該芯片采集的溫度數據發送至單片機內，避免了使用A/D轉換專用芯片，從而降低系統功耗。硬件連接電路如圖3所示，R9 是一個上拉電阻，它連接于單片機的端口和外部提供的電源VCC 之間，保證測溫工作正常穩定運行，溫度參數經DS18B20 傳感器處理后，由DQ 輸出端傳輸到主控制器P2.3 端口，從而完成鋰電池溫度數據的采集工作。

圖3 溫度采集電路

2.3 電壓/電流采集電路

由于MSP430 單片機最高承受電壓為3.3 V，且其ADC設計參考電壓為3.3 V，而鋰電池通常電壓均高于3.3 V，因此直接對鋰電池電壓進行采樣將燒毀單片機，因此，需要對鋰電池進行分壓設計后對再對電壓進行采樣。硬件電路如圖4所示，BAT+接電池的正極，BAT-接電池的負極，CA0 接主控制器的2 號端口，為減少對電池電量的消耗，本次設計分壓電路使用k 歐姆級電阻，使用兩只10 kΩ 電阻對電池進行分壓，所得電壓為1/2 電池電壓，在單片機對電壓進行采樣后，計算時乘2 即可得到電池電壓，實現電壓檢測電路設計。

圖4 電壓/電流采集電路

電流信號的采集由采樣電阻與運算放大器共同完成。由于ADC 無法直接對電流進行采樣，需將電流轉換為電壓信息后才可對數據進行采樣。為了縮小系統整體體積，降低系統功耗，本次設計使用0.05 Ω/3 W 的采樣電阻R2 對電流進行采樣，該電阻阻值極小，誤差只有1%，且容許最大電流為8 A，已超過單個18650 鋰電池電流極限，完全能夠完成采樣工作。通過電流采樣電阻R2 的電壓信號從A 端進入，所采集的電壓信號從放大器的1 號引腳輸入，4 號引腳輸出接到主控制器的3 號引腳CA1 端口。由于采樣電阻阻值較小，因此，即使大電流流過，其兩端電壓仍然較低，使用ADC直接對小電壓采樣得出結果誤差非常大，因此，將采集到的電壓信號放大一定倍數之后，再對其進行A/D 轉換，從而提高轉換精度。本設計中，信號放大倍數與R4，R5 兩個電阻阻值相關，其放大倍數為1+R4/R5=48 倍。

2.4 防反接過壓過流保護電路

為了防止過電壓、過電流地對鋰電池的安全運行造成影響，設計了電池防反接過壓過流保護電路，如圖5所示。電池分壓電路防過壓過流采用MOS 管來控制電路的接通或者斷開，由主控制器分析采集到的電壓信號，如果工作電壓處于正常范圍，那么就會給S1端輸出高電平信號，MOS管導通，整個電路正常工作；若檢測出來的電壓信號接近或者超過限制的最高電壓值，那么給S1 端一個低電平信號，MOS 管關斷，電路處于斷路，從而達到了保護電池的安全目的。

圖5 保護電路

3 系統軟件設計

整個系統以MSP403 為控制核心，鋰電池電壓、電流、溫度等參數進行采集與處理，主流程如圖6所示。首先對各個模塊進行初始化，然后進行采集將數據送至單片機處理，處理過的數據一方面通過LCD 顯示器顯示，另一方面通過Wi-Fi 無線數據通信可使用手機實時監測。

圖6 主流程圖

3.1 信號采集模塊

電壓/電流信號是模擬量，需對其進行A/D 轉換，為了降低系統功耗，采用MSP430 內部AD 模塊實現模數轉換，避免使用專用的模數轉換芯片，且主控制器是16 位處理器，轉換精度高，速度快，能夠完成電壓/電流信號的處理，轉換后的電壓/電流信號經主控制器進行分析，若瞬時電壓/電流大于正常工作值，則發送控制指令，啟動保護電路；溫度采集電路采用數字DS18B20，無須A/D 轉換，且在處理數據時為高速狀態，閑暇時，為低速模式，故進一步降低了系統功耗。

3.2 Wi-Fi 聯網模塊

為實現實時監控電池狀態，本設計擬采用無線通信平臺對電池數據進行傳輸。無線通信平臺本次設計使用一體化物聯網平臺——機智云平臺進行設計，使用機智云平臺包括網頁端以及手機端設計，網頁端需使用開發者賬號登錄，手機端應安裝由機智云提供的手機端APP，系統設計步驟有：

（1）通用APP 的安裝。機智云通用APP 是為機智云平臺上的智能硬件產品提供的通用簡版APP，依于這個平臺用戶可以自己開發項目軟件，進入通用APP 在注冊完用戶后就會彈出一個設備連接頁面；（2）ESP8266 機智云專用固件燒寫。下載機智云版本ESP8266 專用固后，使用串口調試器將Wi-Fi 模塊與電腦連接，依據機智云手冊中規定的設置進行數據傳輸，實現無線網絡上傳的功能。（3）建立產品：Wi-Fi 固件刷新后，需于機智云端建立產品，產品名稱為鋰電池智能管理系統；（4）建立數據節點：本次數據共有三組，第一組為電池電壓信息，數值型數據，范圍為0 ～5 V，第二組為電池電流信息，數值型數據，范圍為0 ～10 A，第三組為電池溫度信息，數值型數據，范圍為-55 ℃～125 ℃。數據節點建立完畢，即可設置Wi-Fi 端實現與系統的通信。

Wi-Fi 通信程序流程設計如圖7所示，首先連接機智云服務器，并等待服務器返回的數據，完成后，發送簡歷產品時生成的PK 碼與密鑰，該產品碼以及密鑰唯一，密鑰為通信加密密碼，十分重要。服務器確認產品后，系統可依次發送電壓，電流，溫度信息，實現數據的上傳，上傳完成后，可繼續發送下一幀數據，無須重復發送PK 碼以及密鑰匙。

圖7 Wi-Fi 通信程序

通過對服務器端以及系統端設計，實現了無線網絡數據上傳的功能，從而對鋰電池工作狀態在線遠程監測。

4 系統調試

根據上述硬件設計和軟件搭建測試平臺，系統上電后，分別登錄手機APP 以及服務器端，裝入待監控鋰電池，由系統測試待監控鋰電池各項數據，檢測結果如表1所示，其中，鋰電池電壓為，電流為，溫度為。經測試，該系統可實時遠程監測鋰電池的電壓/電流/溫度等各項狀況。

表1 測試結果

5 結 論

本系統以MSP430 為控制中心，對鋰電池電壓/電流/溫度參數進行在線檢測，并設計鋰電池過電壓、過電流防反接保護電路，通過Wi-Fi 通信技術，實現信息的遠程便攜式監測，即可電腦終端監測，又可手機APP 隨時隨地便攜式的監測。且系統設計中，選用低功耗主控制器MSP430、使用內嵌A/D 轉換模塊、數字溫度傳感器、系統間歇式工作方式等多種方法降低系統功耗。實驗結果表明，該系統具有運行穩定、成本低、監測便攜等特點，對鋰電池的安全運行及應用推廣都具有很好的參考意義。