隨著電動(dòng)汽車(chē)普及，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(guò)充、過(guò)放、過(guò)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)在電池組內(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(chē)鋰離子電池包所用的保護(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)鋰離子電池包等特點(diǎn)，本文中提出一種基于單片機(jī)的電動(dòng)汽車(chē)36V鋰離子電池包(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)辦法，利用高性能、低功耗的ATmega16L單片機(jī)作為測(cè)試和控制核心，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L(fǎng)M60測(cè)溫、MOS管IRF530N作充放電控制開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)電池包和單個(gè)電池的狀態(tài)監(jiān)控和保護(hù)功能，達(dá)到延長(zhǎng)電池使用壽命的目的。

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)解決和控制的核心，將任務(wù)設(shè)計(jì)分析為電壓測(cè)量、電流測(cè)量、溫度測(cè)量、開(kāi)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

電池包電壓、電流、溫度等信息通過(guò)電壓采樣、電流采樣和溫度測(cè)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)解決和控制的核心，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)控電池包的各項(xiàng)性能指標(biāo)和狀態(tài)，一方面依據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動(dòng)大功率開(kāi)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)。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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1、ATmega16L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)作為測(cè)試與控制核心。ATmega16L是基于加強(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(xiàn)，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，有起始條件測(cè)試器的通用串行接口，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(mén)狗按時(shí)器，一個(gè)SpI串行端口，以及6個(gè)可以通過(guò)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)功耗和解決速度之間的矛盾。

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(guò)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(guò)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(guò)轉(zhuǎn)換后待測(cè)試的電壓、電流值；端口39、40的ADC1、ADC0是經(jīng)過(guò)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)

2、穩(wěn)壓電源模塊

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱(chēng)電壓：28.8V
標(biāo)稱(chēng)容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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穩(wěn)壓電源是單片機(jī)系統(tǒng)的緊要組成部分，它不僅為系統(tǒng)供應(yīng)多路電源電壓，還筆直影響到系統(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，從電池包分出的25V電壓經(jīng)過(guò)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

3、充電均衡模塊

采用模擬電路辦法。即在每節(jié)電池的外部搭建過(guò)壓保護(hù)電路，充電過(guò)程中當(dāng)電壓超過(guò)預(yù)定值時(shí)，保護(hù)電路自動(dòng)閉合，使電池通過(guò)電阻回路放電，以保護(hù)電池不會(huì)過(guò)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(kāi)。

4、電壓電流測(cè)量模塊

待測(cè)的電壓通過(guò)集成運(yùn)算放大器LM358,將輸出送至單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試。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測(cè)試直流電流。UGN-3501M是集成型霍爾傳感器，采用差動(dòng)霍爾電壓輸出，測(cè)試靈巧度為1.4V/0.1T。

電壓電流測(cè)試電路的設(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(cè)的充電、放電電壓，經(jīng)過(guò)放大后由7腳輸出至單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)測(cè)試到待測(cè)電壓達(dá)到過(guò)充、過(guò)放保護(hù)電壓時(shí)，由單片機(jī)控制斷開(kāi)充放電回路。電流測(cè)試通過(guò)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(guò)放大后從1腳輸出ADC3至單片機(jī)，進(jìn)行過(guò)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(shì)，同時(shí)改善線(xiàn)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(chǎng)強(qiáng)度有較好的線(xiàn)性關(guān)系。

圖4電壓電流測(cè)試電路

5、溫度測(cè)試模塊

溫度測(cè)試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的溫度測(cè)試電路如圖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(guò)溫度傳感器將檢測(cè)點(diǎn)的溫度轉(zhuǎn)化為電壓值通過(guò)ADC0,ADC1輸出，再將ADC0,ADC1送入單片機(jī)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)電壓值達(dá)到溫控要求時(shí)，單片機(jī)控制開(kāi)關(guān)通斷。

圖5溫度測(cè)試電路

6、開(kāi)關(guān)模塊

開(kāi)關(guān)采用MOSFET,型號(hào)選用p溝道的MOS管的IR530N。工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制端口輸出高電平，功率三極管導(dǎo)通，功率場(chǎng)效應(yīng)管的柵極和漏極之間出現(xiàn)壓降，功率場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通。

軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，解決程序采用模塊化編程，程序運(yùn)行的環(huán)境是ICCAVR開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

在電池包空載的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)入掉電模式，以使功耗降至最低;當(dāng)電池包接入負(fù)載或?qū)﹄姵匕潆姇r(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，并繼續(xù)運(yùn)作。整個(gè)程序的流程如圖6所示。

圖6程序流程

依據(jù)本系統(tǒng)的模塊分布，單片機(jī)程序分為電壓測(cè)量模塊、電流測(cè)量模塊和溫度測(cè)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(zhǎng)度和加強(qiáng)程序代碼的可讀性。下面給出程序主函數(shù)的代碼：

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(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，本文提出的基于單片機(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)加工。