基于OZ8940芯片电动汽车锂电池管理系统设计方案

　　电动汽车的使用有助于保护环境和解决能源短缺问题。电池组作为电动汽车的能源，其正常地工作是安全行驶的重要保证，因此，对电池组工作状态的管理显得尤其重要。近年来，对电池管理系统的研究也越来越受到重视。电池管理系统的职能是实时监测电池组状态，实施必要的管理和保护措施，以提高电池组的利用率，确保电池组工作的安全可靠，进而确保行车安全。

　　1 系统基本功能介绍

　　设计的锂电池管理系统采用电池监测芯片对电动汽车电池的电压、电流、温度等信息进行实时监测。采集到的电压、电流、温度等信息经过微处理器处理后，相应的信息显示在显示屏上。如果电池状态信息超出正常范围，系统自动切断充放电回路并报警。均衡电路的应用，延长了电池组的使用寿命。系统结构如图1所示。

　　图1 电池管理系统基本结构

　　2 系统硬件设计

　　系统采用O2Micro公司的OZ8940芯片作为电池信息的采集芯片。OZ8940是一款低功耗芯片，工作时电流小于500μA，休眠模式下小于50μA.可支持6~12节串联电池的信息测量，总的电压测量范围为9~60 V.内部包括12路的12位电压采集ADC，分辨率2.44 mV.1路片内温度采集ADC，精度为12位，2路片外温度采集ADC，精度为12位，分辨率1.22mV.OZ8940可提供两级保护功能，第一级保护包括过电压、过电流、过温度等保护。第二级保护是永久性外部极高过电压故障的保护。此外，OZ8940支持内部均衡与外部均衡两种均衡方式。均衡技术的应用，使得电池组特性在充电时保持了良好的一致性，这有助于延长电池组的使用寿命。OZ8940通过I2 C接口与MCU进行通信。

　　2.1 单体电池电压监测

　　如图2所示，12节单体电池串联构成电池组，从每一节电池的正负极引出接线端子，单体电池的输入电压范围为-0.5 V~8 V.接线端子经过RC低通电路后引入到OZ8940的BAT端口，作为电池电压的输入端。RC低通电路可以消除信号中的高频干扰。在OZ8940中通过一个多路选择器分别将这12路电压信号引入到内部12位精度的ADC中进行转换，转换结果送至内部逻辑，经过I2C接口与MCU通信。

　　图2 电压采集。

　　2.2 电流监测

　　采用霍尔电流传感器对电池组充放电电流进行采集，如图1中电流采集部分所示。采集到的信息送至MCU进行处理。

　　2.3 温度监测

　　OZ8940内部集成了一个温度传感器。片内温度每升高1℃，内部温度传感器输出电压增加2.0976mV.内部温度传感器输出的电压量会有一定的偏差，这个偏差量可以通过片内EEPROM 中INTREF11~INTREF0位在软件上进行补偿。

　　此外，通过使用OZ8940的GPIO1和GPIO2两个端口可以采集片外温度信息。如图3所示，RT1和RT2是负温度系数的热敏电阻，即随着温度的升高，其阻值会降低。GPIO0端口提供3.3 V的电压，GPIO1和GPIO2 分别获得两路电压值。端口GPIO1 和GPIO1采样电压输入大小分别如式（1）和（2）。

　　UT1和UT2经过片内的一个多路选择器送至内部精度为12位的ADC进行转换。

　　图3 温度采集

　　2.4 均衡电路

　　电池组在充电过程或者空闲状态时，当满足单体电池电压高于在片内EEPROM 预先设置好的门限值，且单体电池电压互差（最高电池电压与最低电池电压之差）大于预先设置的门限值（精度可以设置为9.76mV~39 mV），则三极管T 导通，均衡电路［2］开始工作。三极管T和电阻RB为单体电池提供了一个放电回路，使得电池的工作状态保持了良好的一致性，延长了电池组的使用寿命。值得注意的是，在均衡期间，当系统发生过电压、过温度或者过电流等保护事件时，均衡电路停止工作，这是由OZ8940内部结构所决定的。

　　均衡电路原理图如图4所示。

　　图4 均衡电路原理图。

　　2.5 保护措施

　　2.5.1 过电流保护

　　OZ8940内部集成了一个过电流监测器，它可以监测充放电电流的大小。预先在片内EEPROM 设定了过电流门限值，如果电流高于门限值，则系统在经过一定的时间延迟后自动切断充放电回路。OZ8940在休眠模式下，OZ8940的电流保护失效。实验中采用霍尔电流传感器监测电流大小。

　　2.5.2 过电压和低电压保护

OZ8940片内集成了一个过电压和低电压监测器。采集到的电池电压信息与EEPROM 中设置的电压门限值相比较，在充电过程中如果超出了高电压门限值，则系统在经过一定的时间延迟后，自动切断充电回路。在放电过程中如果超出了低电压门限值，则系统经过一定的时间延迟，自动切断放电回路。这两个时间延迟均可在EEPROM 中预先设置。OZ8940在休眠模式下，过电压和低电压保护不工作。此外，当过电压保护失效时，OZ8940会启动第二级过电压保护功能。即当过电压超过门限值并且存在8个ADC扫描周期时，OZ8940通过OVPF引脚发出一个PF信号给MCU，由MCU来控制切断