鋰離子動(dòng)力電池組的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　摘要：動(dòng)力電池是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，本課題主要研究鋰離子動(dòng)力電池組的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于AVR 單片機(jī)開發(fā)的，可對(duì)蓄電池的單體電壓、充放電流、溫度以及濕度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。要實(shí)現(xiàn)電池組參數(shù)的集中監(jiān)測(cè)，首先需要設(shè)計(jì)電池參數(shù)的單元采集電路，將電池的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)采集出來(lái)，然后輸入到帶A/D 轉(zhuǎn)換模塊的單片機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示。本文對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳研究和分析。

　　1 引言

　　由鋰離子動(dòng)力電池構(gòu)成的低壓電源，是水下機(jī)器人系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。對(duì)鋰離子電池的維護(hù)管理不當(dāng)將直接影響鋰離子電池的使用效益和壽命，甚至直接損壞鋰電池，從而影響水下機(jī)器人整體性能，嚴(yán)重情況下還會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人的安全事故。通過(guò)在線測(cè)量鋰離子動(dòng)力電池組的參數(shù)，可以及時(shí)了解鋰離子電池的工作狀態(tài)、工作特性及鋰離子電池需要維護(hù)情況，因而鋰離子動(dòng)力電池的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研制勢(shì)在必行。

　　為了實(shí)現(xiàn)鋰離子動(dòng)力電池參數(shù)的監(jiān)測(cè)，首選需要設(shè)計(jì)參數(shù)采集模塊，將鋰離子動(dòng)力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)采集出來(lái)，同時(shí)上傳到帶有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的單片機(jī)中，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和顯示。

　　2 鋰離子動(dòng)力電池組的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概述

　　本系統(tǒng)采用分散數(shù)據(jù)采集和集中數(shù)據(jù)處理，分別設(shè)計(jì)電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路，然后把數(shù)據(jù)都輸送到單片機(jī)進(jìn)行集中處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1 所示。

?

　　圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

　　本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的對(duì)象是國(guó)家863 項(xiàng)目水下機(jī)器人系統(tǒng)的鋰離子動(dòng)力電池組，用的是深圳雷天科技生產(chǎn)的TS-LFP160AHA 型號(hào)的鋰離子動(dòng)力電池，電池組由8 塊單體電池組成。需要監(jiān)測(cè)每塊單體電池的端電壓，并做出過(guò)壓、欠壓判斷;需要多點(diǎn)測(cè)溫度，監(jiān)測(cè)每塊電池的溫度以及電池組所處環(huán)境的溫度、濕度;由于8 塊單體電池串聯(lián)，所以只需要測(cè)出串聯(lián)電流，并做出過(guò)流判斷。

　　本文采用了TMS320LF2407A 芯片。采用此芯片作為電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的CPU 還體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1.節(jié)能，節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)設(shè)備由二次電池來(lái)作為電源的時(shí)候，節(jié)能問(wèn)題則變得更加突出和重要。本設(shè)計(jì)使用的DSP 由3.3V 電源供電，減小了控制器的損耗。芯片電源管理包括低功耗模式，能獨(dú)立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。

　　2.16 通道輸入的A/D 轉(zhuǎn)換器。這一點(diǎn)對(duì)于多路采集子電路很有意義?？梢灾苯訉⒉杉娐返妮敵鼋拥紻SP 的A/D 轉(zhuǎn)換通道。而不必在DSP 外面再設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換電路。

　　3.40 個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的輸入輸出引腳。可用于安全開關(guān)及其它外設(shè)電路的控制。

　　4.串行通信接口(SCI)和16 位串行外設(shè)接口模塊(SPI)可以接監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的顯示部分。

　　3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集電路設(shè)計(jì)。采集電路以TMS320LF2407A 為CPU。TMS320LF2407A 是TI 公司專為實(shí)時(shí)控制而設(shè)計(jì)的高性能16 位定點(diǎn)DSP 器件，指令周期為33ns，其內(nèi)部集成了前端采樣A/D 轉(zhuǎn)換器和后端PWM 輸出硬件，在滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)可簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)。

　　3.1 電壓采集電路設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)以鋰離子動(dòng)力電池為管理對(duì)象。電池組由8 塊3.6V 鋰電池組成。每個(gè)電池單體的額定電壓為3.6V 充滿時(shí)端電壓為4.25V。要求電壓采集精度控制在1.5%以內(nèi)。電池管理系統(tǒng)要求的最低采樣頻率為20ms。

　　系統(tǒng)采用線性光耦作為隔離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)傳遞采樣器件，這樣就將前端的每一節(jié)電池的電壓隔離出來(lái)。將電池的大電壓按一定比例縮小，以便將電池變化的電壓值如實(shí)地反映給DSP。其后需經(jīng)過(guò)多路開關(guān)進(jìn)入微處理器進(jìn)行計(jì)算。光耦隔離的優(yōu)點(diǎn)是速度快(光耦的速度是微秒級(jí)，遠(yuǎn)小于繼電器的毫秒級(jí))，實(shí)時(shí)性要好。另外光耦兩端的信號(hào)在電氣連接上完全隔離，不存在任何關(guān)系，所以即使在光耦的輸出端發(fā)生短路也不會(huì)給電池的使用造成任何影響。光耦將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)進(jìn)行采集，解決了共地問(wèn)題。與電壓傳感器相比，光耦的性價(jià)比更高。

　　在選擇器件的時(shí)候，我們考慮到經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，光電禍合器選擇了日本東芝公司生產(chǎn)的TLP521，運(yùn)算放大器選擇的雙運(yùn)算放大器TL082。

　　電池單體的電壓測(cè)量電路如下圖3-1 所示。

?

　　圖3-1 單體電池電壓采集電路。

　　VIN 即電池單體電壓，經(jīng)過(guò)R1與光耦中的發(fā)光二極管形成回路，將電壓信號(hào)(VIN)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)( I11)。I11與I21有一定比例關(guān)系I11∝ I21。UU1 在這里作為比較器使用。當(dāng)A點(diǎn)電壓Va大于B 點(diǎn)電壓Vb，UU1 就輸出高一些的電壓值，當(dāng)A 點(diǎn)電壓Va低于B 點(diǎn)電壓Vb，UU1 就輸出低一些的電壓值。在整個(gè)電壓采樣電路中，比較器形成一個(gè)反饋。使A、B 兩點(diǎn)的電壓值保持一致。這樣做的目的是B 點(diǎn)電壓顯然是15∕2=7.5v， Va= Vb =7.5v，說(shuō)明上下兩個(gè)光耦中的三極管導(dǎo)通情況一樣。這樣，三極管的導(dǎo)通情況是受控于發(fā)光二極管的。可知當(dāng)I21= I22時(shí)， I11= I22。這樣，VIN∕= I11= I22= Vout∕R4?？梢?jiàn)Vout 與VIN 成比例。

　　3.2 電流采集電路設(shè)計(jì)

　　鋰離子動(dòng)力電池組所有電池單體串連組成整個(gè)供電系統(tǒng)，只設(shè)置一個(gè)電流采集點(diǎn)即可。

　　本文采用霍爾電流傳感器采集。

　　霍爾電流傳感器的原理圖如3-2。被測(cè)電流In流過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，由通過(guò)霍爾元件輸出信號(hào)控制的補(bǔ)償電流Im流過(guò)次級(jí)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)補(bǔ)償，當(dāng)原邊與副邊的磁場(chǎng)達(dá)到平衡時(shí)其補(bǔ)償電流Im即可精確反映原邊電流In值。

?

　　圖3-2 霍爾電流傳感器原理圖。

　　本系統(tǒng)選用的是宇森CBH100SF 型號(hào)的閉環(huán)霍爾電流傳感器。測(cè)量頻率是0-100KHz，額定電流100A，測(cè)量范圍：0-±150A，匝數(shù)比1:1000，精度0.2%-1%，相應(yīng)時(shí)間：

?

　　圖3-3 CHB100 外型和連接圖。

　　其中采樣電阻Rm 采用精密電阻取樣，推薦選用低溫漂(不大于2ppm)高精度的金屬膜電阻;因?yàn)榧纳姼休^大的原因，在高頻采樣場(chǎng)合，應(yīng)避免采用精密線繞電阻。取樣電阻×副邊輸出電流額定值應(yīng)小于電源電壓，差值大于4V。采樣電阻的功率必須足夠，Rm=30Ω。

　　3.3 溫度采集電路設(shè)計(jì)

　　在電池剩余電量的計(jì)算中，電池的工作溫度是一個(gè)重要的影響因素。除此之外，在判斷電池安全和熱處理方面也需要實(shí)時(shí)采集溫度參數(shù)。本設(shè)計(jì)中，既設(shè)計(jì)了8 節(jié)單體電池的溫度信號(hào)采集，也設(shè)計(jì)了對(duì)于環(huán)境溫度的實(shí)時(shí)采集。

　　本系統(tǒng)是采用了熱敏電阻進(jìn)行電池本身的溫度檢測(cè)。與電橋電路結(jié)合，將溫度信號(hào)反映為電壓信號(hào)。電路如圖3-4。

?

　　圖3-4 單體電池溫度采樣電路

　　其中RMDZ1 是熱敏電阻，使用它主要是考慮到性價(jià)比高，而且它的體積小連接線長(zhǎng)，可直接貼在電池單體的外殼上。缺點(diǎn)就是線性度不好。電池溫度的檢測(cè)主要是對(duì)上下兩個(gè)界限溫度的報(bào)替，和計(jì)算電池間的溫差，找出異常電池。不牽扯函數(shù)與復(fù)雜計(jì)算的問(wèn)題，對(duì)線型度要求不高，所以使用熱敏電阻可以滿足需求。

　　環(huán)境溫度的測(cè)量選用一種新穎的溫度傳感器LM35，其特點(diǎn)是輸出電壓與環(huán)境攝氏溫度成正比，集成電路內(nèi)部己經(jīng)校正，無(wú)需外部校正。靈敏度為10.0mV/℃，精度可達(dá)0.5℃，工作電壓范圍4V-30V，耗電極少，輸出阻抗低。自此使用LM35 滿量程[55℃，150℃]連接方法。為了防止零下溫度時(shí)，輸出負(fù)壓，不便于采樣到DSP 中，設(shè)計(jì)了一個(gè)減法器電路。調(diào)整為環(huán)境溫度在[-45℃，75℃]范圍內(nèi)，輸出電壓是[0，4.5V]。

　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用DSP(TMS320LF2407A)C 語(yǔ)言編程，實(shí)行模塊化設(shè)計(jì)，增加了程序的可讀性和移植性。本設(shè)計(jì)主要以水下機(jī)器人使用的鋰離子動(dòng)力電池為研究對(duì)象而設(shè)計(jì)，同時(shí)力求能夠有更好的兼容性，即換作其它電池不需要改動(dòng)硬件，只需改動(dòng)軟件，甚至盡可能小地改動(dòng)軟件即可使用。對(duì)于本系統(tǒng)而言，控制軟件應(yīng)滿足如下要求：

　　采集電流、電壓、溫度等信號(hào)，判斷電池的故障信號(hào)，進(jìn)行處理并采取相應(yīng)的保護(hù)措施，顯示故障信息。

　　模擬數(shù)據(jù)的采集包括電池單體電壓、電流、電池單體溫度、環(huán)境溫度。其中電壓采集是需要由控制模擬多路開關(guān)來(lái)完成，各個(gè)單體電池電壓值分時(shí)進(jìn)入DSP，要求采集同一時(shí)刻的電壓與電流。充分利用TMS320F2407A/D 模塊，一次采集四個(gè)量：電壓、電流、電池溫度、環(huán)境溫度，利用循環(huán)完成對(duì)電池組中多個(gè)電池的模擬量采樣。

　　5 總結(jié)

　　本課題的主要研究?jī)?nèi)容在于電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)和硬件電路的設(shè)計(jì)。其核心是分散數(shù)據(jù)采集與集中數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方案。分別采集單體電池的電壓、電路、溫度，將這些基本信息送到DSP 中進(jìn)行集中的、綜合的分析、處理。硬件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是幾個(gè)采集電路的設(shè)計(jì)以及DSP 小系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。電壓采集電路在保證性能的基礎(chǔ)上，具有靈活性和明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。通道間的干擾和采集速度都得到改善?？蓾M足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和測(cè)量精度的要求。通過(guò)增加外設(shè)采樣保持，可以采集到同一時(shí)刻的電壓和電流。