动力锂电池组智能管理系统设计

问题。

电池组中各节电池电量的均衡可采用电阻均衡、电容均衡、变压器均衡等多种方案。由于本管理系统是针对大容量的动力锂电池组，若采用电阻均衡，均衡速度快但将会有过多的能量白白浪费掉；电容均衡虽然不额外耗能，但是均衡电流一般较小，很难胜任动力锂电池之间的均衡。故本均衡模块采用兼顾效率和速度的变压器均衡方案。在具体设计中直接采用DC/DC开关电源模块。由于开关电源模块具有功耗小、效率高、体积小、质量轻等优点，将其直接作为均衡模块使用是一个很好的选择。在具体使用时，根据检测到的各单节电池的电压值判断是否需要对电池组进行能量均衡。若需要，闭合均衡总开关K5，开关K1、K2向下打到均衡档，用电池组的整体能量对电压最低节电池进行额外的均衡充电，直到各节电池电压值的差别在系统要求范围之内。原理图如图4所示。

图4 电压采样、均衡充电原理图

电流采样的实现

电流是电池容量估计的关键参数，因此对电流采样的精度、抗干扰能力和线性度误差的要求都很高。在本设计中采用LEM公司的闭环电流传感器LTSR25-NP，如图5所示，

图5 LTSR25-NP实物图

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换为0V~5V的电压信号，送至单片机的10位A/D转换器进行转换后可测得充放电电流，测量精度为0.2A。其工作特性曲线如图6所示。

图6 电流传感器LTSR25-NP 工作特性曲线

图中以VREF为参考点电压，默认为2.5V，IP为被测量电流。

温度采样的实现

电池管理系统中的温度检测采用的是美国DALLAS半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20。它是单片结构，无需外加A/D转换器即可输出9~12位的数字量。通信采用单总线协议，对DS18B20的各种操作通过一条数据线即可完成。因为每个DS18B20都含有唯一的序列码，使每条总线上可同时连接多个DS18B20，这就使得DS18B20连线简单，系统设计灵活，适合用于多点测温系统，特别是与单片机合用构成的温度检测与控制系统。

显示模块的实现

LCD显示选用DM12864M汉字图形点阵液晶显示模块。该模块可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字(16×16点阵)、128个字符(8×16点阵)及64×256点阵显示RAM。主要技术参数和显示特性如下：
电源VDD：3.3V~5V(内置升压电路，无需负压)；

显示内容：128列×64行；

LCD类型：STN；

与MCU的接口：8位或4位并行/3位串行；

多种软件功能：光标显示、画面移位、自定义字符、睡眠模式等。

本系统使用串行接口，通过液晶模块可显示电池组总电压、各单节电池电压、充放电电流、充放电时间、工作温度以及剩余电量等。

数据存储通信模块的实现

锂电池管理系统在锂电池充放电过程中把充放电信息，包括各节电池的电压、充放电电流、工作温度、电池电量等通过采样实时写入Flash存储芯片SST25VF020中保存。在需要时，可通过串口与上位PC机通信把存储在Flash中的历史数据读到PC上。

SST25VF020是SST25VF系列Flash存储芯片。其芯片具有以下特点：总容量为2M；单电源读和写操作，工作电压为2.7V~3.3V；低功耗，工作电流为7mA，等待电流为3μA；时钟频率高达33MHz；数据可保存100年；其封装为SOIC和小尺寸的WSON封装。实际应用电路如图7所示。

图7 FLASH存储器电路原理图

软件设计

该系统的软件设计采用单片机C语言完成，主要包括单体电压测量程序、电流检测程序、温度检测程序、能量均衡程序、充电管理程序、LCD显示程序及数据存储通信程序等几个程序模块。其主流程图如图8所示。

图8 主流程图

电压测量程序

通过单片机的10位A/D转换模块测量单节电池的电压值。为了提高测量的精度，软件采用“筛值平均”的软件滤波方法。在对每节电池的模拟量进行测量时，连续测量多次，然后筛去最高值和最低值，再对剩余的测量值取平均值，以获得最佳的测量结果。然后根据电压的计算方式，获得电池的电压。在电压测量完成后，运行“冒泡排序”的程序，对所有的电池电压进行排序，标记出最低、最高电池，为均衡模块服务。

充电管理程序

通过检测到的单节电池电压判断电池所处的充电阶段，并利用单片机的脉宽调制输出(PWM)来控制MOSFET以实现预充阶段的小电流充电和保持充电阶段的脉冲充电。当检测到电池充电完毕后，自动断开充电回路。充电管理模块通过检测到的电压、电流、温度值判断电池是否工作在正常状态，如出现过压、过流或温度过高等现象，立刻通过MOSFET关闭充放电回路，并点亮故障提示灯。

结语

本设计为动力锂电池组提供了智能管理系统，通过该系统为电池组提供了各种保护及能量均衡控制，最大限度地发挥了锂电池组的整体性能。开发出的样机通过在7节50AH串联雷天锂电池组上试验，实现最大均衡电流为2.5A，均衡效率为80%左右，性能完全满足动力锂电池组能量均衡的要求，具有很好的应用前景和推广价值。