簡介：通過實(shí)驗(yàn)，本保護(hù)電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全部基本功能。與傳統(tǒng)采用分離元件的電池保護(hù)系統(tǒng)相比，本文中提出基于單片機(jī)的電池保護(hù)電路系統(tǒng)具有系統(tǒng)體積小、功能多、功耗低、成本低等特點(diǎn)，可用于工業(yè)生產(chǎn)。

隨著電動(dòng)自行車的逐漸普及，電動(dòng)自行車的重要能源---鋰離子電池也成為眾人關(guān)心的焦點(diǎn)。鋰離子電池與鎳鎘、鎳氫電池不太相同，因其能量密度高，對(duì)充放電要求很高。當(dāng)過充、過放、過流及短路保護(hù)等情況發(fā)生時(shí)，鋰離子電池內(nèi)的壓力與熱量大量新增，容易出現(xiàn)爆炸，因此通常都會(huì)在電池包內(nèi)加保護(hù)電路，用以提高鋰離子電池的使用壽命。針對(duì)目前電動(dòng)汽車鋰離子電池組所用的保護(hù)電路大多都由分立原件構(gòu)成，存在控制精度不夠高、技術(shù)指標(biāo)低、不能有效保護(hù)鋰離子電池組等特點(diǎn)，本文中提出一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車36V鋰離子電池組(由10節(jié)3.6V鋰離子電池串聯(lián)而成)保護(hù)電路設(shè)計(jì)方法，利用高性能、低功耗的ATmega16L單片機(jī)作為檢測和控制核心，用由MC34063構(gòu)成的DC/DC變換控制電路為整個(gè)保護(hù)電路供應(yīng)穩(wěn)壓電源，輔以LM60測溫、MOS管IRF530N作充放電控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池組和單個(gè)電池的狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)功能，達(dá)到延長電池使用壽命的目的。

1保護(hù)電路硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，將任務(wù)設(shè)計(jì)分解為電壓測量、電流測量、溫度測量、開關(guān)控制、電源、均衡充電等功能模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)的總體框圖

電池組電壓、電流、溫度等信息通過電壓采樣、電流采樣和溫度測量電路，加到信號(hào)采集部分的A/D輸入端。A/D模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控電池組的各項(xiàng)性能指標(biāo)和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)大功率開關(guān)。由于使用了單片機(jī)，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜控制，從而能方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)展和性能改進(jìn)。

1.1ATmega16L單片機(jī)模塊

從低功耗、低成本設(shè)計(jì)角度出發(fā)，單片機(jī)模塊采用高性能、低功耗的ATmega16L單片機(jī)作為檢測與控制核心。ATmega16L是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，內(nèi)部帶有16k字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512字節(jié)EEpROM，1k字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器(用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程)，3個(gè)具有比較模式的靈活按時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)(片內(nèi)/外中斷)，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益(TQFp封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗按時(shí)器，一個(gè)SpI串行端口，以及6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16L的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIpS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。

單片機(jī)的輸入輸出設(shè)計(jì)如圖2所示。由電源部分降壓、穩(wěn)壓得到的3.3V電壓通過端口10為單片機(jī)供應(yīng)工作電壓;端口12和13為反向振蕩放大器與片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機(jī)供應(yīng)工作晶振;端口30是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源，使用ADC時(shí)通過一個(gè)低通濾波器與端口10的VCC連接;端口37，38的ADC3，ADC2是經(jīng)過轉(zhuǎn)換后待檢測的電壓、電流值;端口39，40的ADC1，ADC0是經(jīng)過溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的溫控電壓值。

圖2單片機(jī)的外圍電路設(shè)計(jì)

1.2穩(wěn)壓電源模塊

穩(wěn)壓電源是單片機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為系統(tǒng)供應(yīng)多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和抗干擾性能。ATmega16L單片機(jī)的工作電壓為2.7~5.5V，為保證單片機(jī)穩(wěn)定的工作電壓為3.3V.穩(wěn)壓部分是由MC34063構(gòu)成的DC/DC變換控制電路，從電池組分出的25V電壓經(jīng)過電路降壓、穩(wěn)壓，輸出3.3V，供保護(hù)電路工作，其電路如圖3所示。

圖3穩(wěn)壓電源模塊電路

1.3充電均衡模塊

采用模擬電路方法。即在每節(jié)電池的外部搭建過壓保護(hù)電路，充電過程中當(dāng)電壓超過預(yù)定值時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)閉合，使電池通過電阻回路放電，以保護(hù)電池不會(huì)過度充電。當(dāng)電池電壓減小到均衡充電動(dòng)作電壓4.18V時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)斷開。

1.4電壓電流測量模塊

待測的電壓通過集成運(yùn)算放大器LM358，將輸出送至單片機(jī)進(jìn)行檢測。LM358內(nèi)部包括2個(gè)獨(dú)立、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用和雙電源工作模式，由于其低功耗電流，也適合于電池。用霍爾傳感器UGN-3501M檢測直流電流。UGN-3501M是集成型霍爾傳感器，采用差動(dòng)霍爾電壓輸出，檢測靈敏度為1.4V/0.1T.

電壓電流檢測電路的設(shè)計(jì)如圖4所示。運(yùn)算放大器LM358的5，6引腳所接的BB，AA為待測的充電、放電電壓，經(jīng)過放大后由7腳輸出至單片機(jī)進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到待測電壓達(dá)到過充、過放保護(hù)電壓時(shí)，由單片機(jī)控制斷開充放電回路。電流檢測通過霍爾傳感器完成，如圖4所示，將從UGN-3501M1，8引腳輸出的霍爾電壓uH接至LM358的3，4引腳，經(jīng)過放大后從1腳輸出ADC3至單片機(jī)，進(jìn)行過電流保護(hù)。UGN-3501M的5，6，7引腳連接調(diào)整電位器，用以補(bǔ)償不等位電勢，同時(shí)改善線性。調(diào)整5，6引腳外接電阻R16，可使輸出霍爾電壓uH與磁場強(qiáng)度有較好的線性關(guān)系。

圖4電壓電流檢測電路

1.5溫度檢測模塊

溫度檢測和控制模塊選用電壓輸出型的半導(dǎo)體溫度傳感器LM60.該傳感器是一種已校正的集成化溫度傳感器，它的工作溫度范圍是-40℃至125℃，工作電壓范圍是2.7V至10V.信號(hào)輸出與溫度成正比，信號(hào)大小可達(dá)+6.25mV/℃。

基于LM60的溫度檢測電路如圖5所示。由穩(wěn)壓部分輸出的3.3V電源為此電路供電，經(jīng)過溫度傳感器將探測點(diǎn)的溫度轉(zhuǎn)化為電壓值通過ADC0，ADC1輸出，再將ADC0，ADC1送入單片機(jī)進(jìn)行檢測，當(dāng)電壓值達(dá)到溫控要求時(shí)，單片機(jī)控制開關(guān)通斷。

圖5溫度檢測電路

1.6開關(guān)模塊

開關(guān)采用MOSFET，型號(hào)選用p溝道的MOS管的IR530N.工作原理：單片機(jī)控制端口輸出高電平，功率三極管導(dǎo)通，功率場效應(yīng)管的柵極和漏極之間出現(xiàn)壓降，功率場效應(yīng)管導(dǎo)通。

2軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，處理程序采用模塊化編程，程序運(yùn)行的環(huán)境是ICCAVR開發(fā)系統(tǒng)。

在電池組空載的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式，以使功耗降至最低;當(dāng)電池組接入負(fù)載或?qū)﹄姵亟M充電時(shí)，單片機(jī)被激活，由低功耗掉電模式轉(zhuǎn)入正常工作模式，并持續(xù)運(yùn)作。整個(gè)程序的流程如圖6所示。

圖6程序流程

根據(jù)本系統(tǒng)的模塊分布，單片機(jī)程序分為電壓測量模塊、電流測量模塊和溫度測量模塊，每一模塊調(diào)用共同A/D轉(zhuǎn)換函數(shù)和延時(shí)判斷函數(shù)等，以縮短代碼長度和增強(qiáng)程序代碼的可讀性。下面給出程序主函數(shù)的代碼：

voidmain(void)

{

int();//單片機(jī)初始化，打開所有開關(guān);

sleep();//單片機(jī)進(jìn)入休眠模式;

intsign︱=1;

while(sign==1)//判斷系統(tǒng)是否運(yùn)行正常;

{int();

dianya();//調(diào)用測壓模塊;

delay(30000);

delay(30000);

dianliu();//調(diào)用測流模塊;

delay(30000);

delay(30000);

wendu();//調(diào)用溫度模塊;

delay(30000);

delay(30000);

}

int();

sign︱=1;

main();

}

3結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)，本保護(hù)電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全部基本功能。與傳統(tǒng)采用分離元件的電池保護(hù)系統(tǒng)相比，本文中提出基于單片機(jī)的電池保護(hù)電路系統(tǒng)具有系統(tǒng)體積小、功能多、功耗低、成本低等特點(diǎn)，可用于工業(yè)生產(chǎn)。