锂电池管理系统的研究与实现 ― 锂电池管理系统的硬件实现

硬件的设计必须要实现对动力电池组的合理管理，首先必须保证采集数据的准确性;其次是可靠稳定的系统控制;最后非常重要的是抗干扰性。在具体实现过程中，根据设计要求决定需要采集动力电池组的数据类型;根据采集量以及精度要求决定硬件的设计。

本文设计的锂电池管理系统控制板附在锂电池组上，由锂电池组供电，作为在线管理系统实现实时管理功能基本功能如下：

1.电池信息实时采集及显示，包括单体电压、电池组总电压、温度、充放电电流;

2.剩余电量估计功能及显示;

3. 8节锂电池充/放电智能管理，当电池电压、充放电电流、电池温度和剩余容量过低或过高时，发送报警信号;

4.在充、放电过程中对单体电池进行均衡和诊断;

5.故障电池智能检测/报警;

6.存储锂电池的充放电信息，可与上位机通信，在上位机检查锂电池的使用过程。

3.1锂电池管理系统的硬件结构

本锂电池管理系统主要由充电模块、数据采集模块(包括电压，电流，温度数据采集)、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成。系统框图如下：

其中数据采集模块负责采集电池的各种状态参数，如电流、电压、温度;充电控制模块按预充、恒流充电和恒压充电三个阶段进行自动充电，并根据采集的数据对充放电过程进行控制;均衡模块在适当的时候通过15W的开关电源对单个电池进行均衡充电，使电池组中的电池更加均衡一致;电量估测单元主要是分析采集过来的状态参数并根据研究试验得出的电量估测算法，对电池的当前电量进行估测;数据显示单元采用图文液晶显示屏，可显示各节电池电压，充放电电流，剩余电量，电池温度和充电时间;存储通信单元通过存储芯片定时把充放电信息(电压，电流，充放电时间等)存储起来，可通过串口与电脑通信，在电脑上显示充放电信息。

3.2 ATMEGA8L处理器简介

ATMEGA8L是美国ATMEL公司推出的一种高性能8位单片机，它在吸收了PIC及8051单片机优点的基础上，做出了重大的改进，速度快，性价比高，能在线编程，在一个芯片内将增强性能的RISC 8位CPU与可下载的FLASH相结合使其成为适合于许多要求、具有高度灵活性和低成本的嵌入式高效微控制器。它具有以下特性：

● 高性能、低功耗的8位AVR微处理器

● 先进的RISC结构

- 130条指令——大多数指令执行时间为单个时钟周期

- 32个8位通用工作寄存器-全静态工作

- 工作于16 MHz时性能高达16MIPS

- 只需两个时钟周期的硬件乘法器

● 非易失性程序和数据存储器

- 8K字节的系统内可编程Flash，擦写寿命：10，000次

- 具有独立锁定位的可选Boot代码区通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作

- 512字节的EEPROM擦写，寿命：100，000次

- 1K字节的片内SRAM -可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密

● 外设特点

- 两个具有独立预分频器8位定时器/计数器，其中之一有比较功能

- 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器

- 具有独立振荡器的实时计数器RTC

- 三通道PWM - TQFP与MLF封装的8路ADC10位ADC

- PDIP封装的6路ADC10位ADC

- 面向字节的两线接口-两个可编程的串行USART

- 可工作于主机/从机模式的SPI串行接口

- 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器

- 片内模拟比较器

● 特殊的处理器特点

- 上电复位以及可编程的掉电检测

- 片内经过标定的RC振荡器

- 片内/片外中断源-

5种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式及Standby模式

3.3采样模块电路设计

3.3.1电压采样的实现

锂离子电池在充电时为防止过充损坏电池，要求其端电压严格控制在4.2 V以下，本电池管理系统采用图3-1所示电压检测方案。

其工作原理是：

首先MCU控制的多路开关Kn-1、Kn-2(n=1，2，3，4，5，6，7)，同步地将电容分别的接到各单元电池两端，使电容充电且使电容电压等于被测单元电池的电压;然后MCU控制多路开关n1 K、n2 K断开，同时合上开关K1和K2接入A/D进行测量。此方案可直接使用微处理器内的10位共地A/D，不需要另外单独加入A/D，节省了设计成本[4]。在实际电路中模拟开关采用继电器实现。

3.3.2电流采样的实现

电流是电池容量估计的关键参数。因此对其电流的采样的精度，抗干扰能力，零飘、温飘和线性度误差的要求都很高。在实际中采用LEM公司的闭环电流传感器LTSR25-NP，该元件具有出色的精度、良好的线性度和最佳的反应时间。其额定电流为25A，最高可测80A的电流，满足系统设计的要求。该电流传感器可把充放电电流转为0-5V的电压信号，送至单片机的A/D转换可测得充放电电流。其工作原理如图3-3所示：

其工作特性曲线如图3-4所示：

图中VREF为参考点电压，默认为2.5V;IP为被测量电流。