鋰電池組監控系統的設計與實現

王慶賀，顧 林，黎 蕾，樊兵團

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214072）

鋰電池具有高轉換效率、高循環壽命以及高能量密度等特點，具有獨特的優勢，在日常生活、工業、航天等領域應用廣泛[1-4]。許多研究人員在電池管理系統方面進行了研究。電池管理系統是一種對電池包內的電池單體的狀態參數進行采集監測并作出相應的管理動作，從而更好地利用電池效能的設備[5-7]。該文以鋰電池組監控作為研究對象，設計并開發了鋰電池組監控系統，最后搭建了測試環境，對鋰電池組監控系統進行了相關的測試實驗。

1 系統總體結構設計

鋰電池組監控系統需要監測電池組實時狀態信息（電池電壓、電流以及溫度等狀態信息），具有網絡通信功能、溫度控制功能以及一定的電路保護機制。

鋰電池組監控系統結構框圖如圖1 所示，鋰電池組監控系統以DSP28335 作為控制核心，使用ADI 公司的AD7280A 對30 個鋰電池單體進行電壓采集和均衡管理，選擇W5300 以太網控制器實現網絡通信。監控系統還包含RS422 接口、總電壓電流采集模塊、溫度控制模塊、存儲模塊以及電路開關模塊。

圖1 鋰電池組監控系統結構框圖

2 鋰電池組監控系統的硬件設計

2.1 鋰電池單體采樣和均衡電路設計

鋰電池單體采樣和均衡電路示意圖如圖2 所示。鋰電池單體采樣所使用的芯片是AD7280A，該芯片具有對混合動力電動車等使用的鋰電池進行通用監控所需要的全部功能。每個AD7280A 芯片擁有6 路電池電壓采集通道和6 路輔助ADC 采集通道。每個AD7280A 最多可以對6 個鋰電池進行管理[8]。AD7280A 內部的基準電壓是±3 ppm/℃，電池電壓的精度為±1.6 mV，12 位的ADC 分辨率，7 μs 就可以轉換48 個單元。每個鋰電池電壓采集通道允許的電壓范圍是1～5 V。使用菊花鏈連接的方式，最多可以將8 個AD7280A 堆疊起來。AD7280A 具有SPI 接口，用于和微控制器或者AD7280A 進行通信。鋰電池組監控系統需要對30 個鋰電池單體進行監測，使用了5 個級聯的AD7280A 采集電壓，每個AD7280A采集6 路鋰電池單體電壓。第一個AD7280A 的VIN0 連接第一個鋰電池單體的負極，VIN1 連接第一個鋰電池的正極以及第二個鋰電池單體的負極，依次類推。每個電壓采集輸入端都串聯了一個10 kΩ的電阻，并與0.1 μF 的電容構成了低通濾波器，在上電初期該電阻起到緩沖保護作用。每個AD7280A的供電輸入端使用一個30 V 的穩壓二極管，可以防止上電瞬間產生的過壓沖擊。第一個AD7280A 上面的SPI 接口和次級AD7280A 通信，依次類推，這樣，相鄰的AD7280A 可以互相通信。AD7280A 除了需要采集電池單體電壓外，還要采集電池的溫度。使用MF501 熱敏電阻測量溫度，熱敏電阻的一端接在T1+處，另一端接在T1-處。不同的溫度下，熱敏電阻的阻值不同，則熱敏電阻和10 kΩ電阻對VREG1分得的電壓也不同，通過AD7280A 的輔助ADC 測量熱敏電阻一端分得的電壓，就可以推算出熱敏電阻的阻值，進而推算出熱敏電阻測得的溫度。

圖2 鋰電池單體采樣和均衡電路示意圖

由于鋰電池單體的內部差異、環境差異，無法保證串聯在一起的鋰電池單體的電壓完全一致，這樣有可能造成某些單體過充或者過放，影響單體的壽命以及使用的安全性，因而需要均衡電路來保證單體電壓的一致性[9-11]。AD7280A 具有均衡輸出接口CBx，可以輸出0 V 或者5 V 的模擬電壓，驅動外部電池平衡電路的MOSFET 柵極，從而給過高電壓的電池單體放電，降低電壓。

2.2 網絡接口電路設計

該系統使用W5300 以太網控制器來實現以太網通信。W5300 含有10/100M 的以太網MAC 和PHY，集成TCP/IP 協議[12-13]。微控制器可以通過并行總線接口與W5300 通信。W5300 與DSP28335 的連接示意圖如圖3 所示。DSP28335 通過XINTF 接口和W5300 進行通信，使用16 位并行總線，片選信號/XZCS7 與W5300 的片選信號/CS 相連。

圖3 W5300和DSP28335的連接示意圖

2.3 總電壓電流采集與溫度控制硬件設計

通過電阻分壓的方式將電池組輸出總電壓降低為較低的電壓，該電壓經過運放電路連接到DSP28335 的AD 引腳，由DSP28335 采集該電壓，進而可以計算出電池組輸出的總電壓。

電流的采集使用的是LTS15-NP 電流傳感器，傳感器將采集的電流值轉換為電壓輸出，該電壓經過運放電路輸入至DSP28335 的AD 引腳，根據采集的電壓值計算出實際的電流值。

該系統溫度控制模塊采用風扇強制散熱的方式對鋰電池組進行散熱。鋰電池組的電壓經過DC/DC模塊轉換至合適的電壓給散熱風扇供電。

3 鋰電池組監控系統的程序設計

3.1 鋰電池組監控系統的整體程序設計

鋰電池組監控系統整體程序流程圖如圖4 所示。初始化過程包括如下部分：DSP28335時鐘、外設等的初始化，配置參數的讀取，W5300芯片的初始化，AD7280A 的初始化。監控系統實時采集鋰電池單體的電壓、電池組總電壓、電流、電池組溫度以及電路通斷狀態，每隔500 ms 上傳一次數據。DSP28335 接收到上位機發送的命令后，需要對命令進行解析，然后做出相應的回應和處理，由命令處理模塊來實現。溫度控制模塊主要是在電池溫度過高時，開啟風扇，對電池組進行降溫。鋰電池組的電壓、電流和溫度異常時，系統會上傳警告信息，并做相應處理，自動均衡處理模塊主要是防止充電時電池單體之間壓差過高。

圖4 監控系統整體程序流程圖

3.2 AD7280A相關程序設計

DSP28335 與AD7280A 的通信使用的是SPI 接口，需要配置SPI 接口的時鐘極性為0，相位為1。在對AD7280A 正確初始化后，獲取所有電池電壓和所有輔助ADC 的過程簡述如下[14-15]：

1）將寄存器地址0寫入全部器件的讀取寄存器。

2）將全部器件的控制寄存器的位[15:12]設置為0。

3）將0x02 寫入全部器件的/CNVST 控制寄存器，然后通過/CNVST 引腳的下降沿啟動轉換。

4）等待轉換完成，提供一個/CS 低電平脈沖，提供一個32CLK 周期幀回讀轉換結果。

5）將轉換的結果轉換為實際的電壓值。

在獲取AD7280A 輔助ADC 的電壓值后，可以計算得出熱敏電阻的阻值，進而算出溫度值。

充電時，當30 節電池中最高電壓和最低電壓大于設定的閾值0.1 V 時，進行均衡管理，控制AD7280A 相應的均衡輸出接口CBx 的輸出為高電平，相應均衡電路導通，對最高電壓的鋰電池單體進行放電；電池組放電時，均衡模塊不運行。

3.3 網絡通信程序設計

鋰電池組監控系統的網絡通信通過W5300 以太網芯片實現。DSP28335 控制W5300 實現TCP 通信中的服務器端。

DSP28335 程序的主循環中調用void loopback_tcps(…)函數來實現TCP 服務器的功能，該函數首先查詢Socket1 的狀態寄存器，根據不同的狀態值，做不同的處理。在W5300 和客戶端建立連接后，DSP28335 就可以通過W5300 接收客戶端發來的數據，也可以向客戶端發送數據。

3.4 溫度控制程序設計

溫度控制部分是鋰電池組監控系統較為重要的組成部分，用于避免鋰電池組充放電過程中產生過多的熱量而導致溫度的持續上升[16-17]。鋰電池組監控系統實時監測鋰電池組的溫度，當鋰電池組的溫度高于設定值1 時，則開啟散熱風扇對鋰電池組進行散熱處理；而當鋰電池組的溫度低于設定值2 時，關閉散熱風扇。為了防止散熱風扇在某個溫度值的附近頻繁切換工作狀態，因而讓風扇的開啟和關閉對應兩個不同的溫度設定值。如圖5 所示為溫度控制模塊的程序流程圖。

圖5 溫度控制模塊程序流程圖

3.5 異常保護程序設計

當鋰電池單體的電壓異常、電流過高、溫度過高（電壓、電流和溫度的正常范圍都存儲在Flash 中）時，都會通過網絡通信上傳警告信息，根據上位機指令和系統設置的極限值做進一步處理，如切斷電源。

4 實驗結果

為了測試整個鋰電池組監控系統，搭建了測試實驗平臺，將鋰電池組監控系統和鋰電池組相連，并使用上位機軟件顯示監控信息。

測試時，設定好上位機軟件網絡通信相關參數，網絡通信連接成功后，鋰電池組狀態信息就上傳至上位機軟件，充電一段時間后，上位機軟件獲取的鋰電池組監控信息部分截圖如圖6 所示。圖6 中展示了充電過程中采集到的30 節鋰電池單體的電壓值、電流值、溫度和電路開關狀態，可以看出鋰電池組監控系統實現了通過網絡通信實時獲取電池組狀態信息的功能。

圖6 監控信息部分截圖

充電前，通過對部分電池放電，使得電池單體之間的電壓有差異，最高和最低電壓壓差超過0.1 V，充電過程中，鋰電池單體之間的電壓差逐漸縮小，一段時間后小于0.1 V，說明自動均衡模塊功能正常。

為了測試鋰電池組監控系統采集電池單體電壓的精度，電池組空載時用萬用表對10 節電池單體進行測量，將數據記錄下來，并與鋰電池組監控系統所采集的數據進行比對。電池單體電壓測量值如表1所示，可以看出鋰電池組監控系統所測得的電壓值比較精確。

表1 電池單體電壓測量值

測試時，將監控系統采集的電池組溫度和儀表測得的溫度進行對比，溫度值相差2 ℃以內，滿足設計要求。為了驗證監控系統溫控的功能，實驗過程中，溫度閾值設定值1 設置為30 ℃，溫度閾值設定值2 設置為27 ℃，鋰電池組的溫度隨充電時間而升高，當溫度高于30 ℃時，風扇啟動，可以根據上位機軟件看到溫度在逐漸下降；當溫度低于27 ℃時，風扇關閉，之后重復以上過程，這表明溫度控制模塊對鋰電池組的散熱有明顯的作用。

測試時，通過設定合理的異常值參數，保證不破壞系統，進行異常保護功能測試，充放電測試中，電壓、電流、溫度異常時，系統上傳了警告信息，電流過大、溫度過高嚴重威脅系統安全時，系統啟動了保護機制，切斷了電源輸出。

5 結束語

該文設計了鋰電池組監控系統，首先介紹了鋰電池組監控系統的結構，然后對系統的硬件和軟件設計進行介紹，最后對監控系統進行了測試。測試結果表明，該系統可以監控電池組實時狀態信息（電壓、電流、溫度等），具有網絡通信功能，可以基于實時狀態信息進行溫度控制，也具有一定的保護機制。該系統采集精度高，穩定性好，實現了設計的功能，滿足了設計要求。