鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王慶賀，顧 林，黎 蕾，樊兵團(tuán)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214072）

鋰電池具有高轉(zhuǎn)換效率、高循環(huán)壽命以及高能量密度等特點(diǎn)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在日常生活、工業(yè)、航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-4]。許多研究人員在電池管理系統(tǒng)方面進(jìn)行了研究。電池管理系統(tǒng)是一種對(duì)電池包內(nèi)的電池單體的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行采集監(jiān)測(cè)并作出相應(yīng)的管理動(dòng)作，從而更好地利用電池效能的設(shè)備[5-7]。該文以鋰電池組監(jiān)控作為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并開發(fā)了鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)，最后搭建了測(cè)試環(huán)境，對(duì)鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)電池組實(shí)時(shí)狀態(tài)信息（電池電壓、電流以及溫度等狀態(tài)信息），具有網(wǎng)絡(luò)通信功能、溫度控制功能以及一定的電路保護(hù)機(jī)制。

鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)以DSP28335 作為控制核心，使用ADI 公司的AD7280A 對(duì)30 個(gè)鋰電池單體進(jìn)行電壓采集和均衡管理，選擇W5300 以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。監(jiān)控系統(tǒng)還包含RS422 接口、總電壓電流采集模塊、溫度控制模塊、存儲(chǔ)模塊以及電路開關(guān)模塊。

圖1 鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 鋰電池單體采樣和均衡電路設(shè)計(jì)

鋰電池單體采樣和均衡電路示意圖如圖2 所示。鋰電池單體采樣所使用的芯片是AD7280A，該芯片具有對(duì)混合動(dòng)力電動(dòng)車等使用的鋰電池進(jìn)行通用監(jiān)控所需要的全部功能。每個(gè)AD7280A 芯片擁有6 路電池電壓采集通道和6 路輔助ADC 采集通道。每個(gè)AD7280A 最多可以對(duì)6 個(gè)鋰電池進(jìn)行管理[8]。AD7280A 內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓是±3 ppm/℃，電池電壓的精度為±1.6 mV，12 位的ADC 分辨率，7 μs 就可以轉(zhuǎn)換48 個(gè)單元。每個(gè)鋰電池電壓采集通道允許的電壓范圍是1～5 V。使用菊花鏈連接的方式，最多可以將8 個(gè)AD7280A 堆疊起來(lái)。AD7280A 具有SPI 接口，用于和微控制器或者AD7280A 進(jìn)行通信。鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)需要對(duì)30 個(gè)鋰電池單體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用了5 個(gè)級(jí)聯(lián)的AD7280A 采集電壓，每個(gè)AD7280A采集6 路鋰電池單體電壓。第一個(gè)AD7280A 的VIN0 連接第一個(gè)鋰電池單體的負(fù)極，VIN1 連接第一個(gè)鋰電池的正極以及第二個(gè)鋰電池單體的負(fù)極，依次類推。每個(gè)電壓采集輸入端都串聯(lián)了一個(gè)10 kΩ的電阻，并與0.1 μF 的電容構(gòu)成了低通濾波器，在上電初期該電阻起到緩沖保護(hù)作用。每個(gè)AD7280A的供電輸入端使用一個(gè)30 V 的穩(wěn)壓二極管，可以防止上電瞬間產(chǎn)生的過(guò)壓沖擊。第一個(gè)AD7280A 上面的SPI 接口和次級(jí)AD7280A 通信，依次類推，這樣，相鄰的AD7280A 可以互相通信。AD7280A 除了需要采集電池單體電壓外，還要采集電池的溫度。使用MF501 熱敏電阻測(cè)量溫度，熱敏電阻的一端接在T1+處，另一端接在T1-處。不同的溫度下，熱敏電阻的阻值不同，則熱敏電阻和10 kΩ電阻對(duì)VREG1分得的電壓也不同，通過(guò)AD7280A 的輔助ADC 測(cè)量熱敏電阻一端分得的電壓，就可以推算出熱敏電阻的阻值，進(jìn)而推算出熱敏電阻測(cè)得的溫度。

圖2 鋰電池單體采樣和均衡電路示意圖

由于鋰電池單體的內(nèi)部差異、環(huán)境差異，無(wú)法保證串聯(lián)在一起的鋰電池單體的電壓完全一致，這樣有可能造成某些單體過(guò)充或者過(guò)放，影響單體的壽命以及使用的安全性，因而需要均衡電路來(lái)保證單體電壓的一致性[9-11]。AD7280A 具有均衡輸出接口CBx，可以輸出0 V 或者5 V 的模擬電壓，驅(qū)動(dòng)外部電池平衡電路的MOSFET 柵極，從而給過(guò)高電壓的電池單體放電，降低電壓。

2.2 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)使用W5300 以太網(wǎng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信。W5300 含有10/100M 的以太網(wǎng)MAC 和PHY，集成TCP/IP 協(xié)議[12-13]。微控制器可以通過(guò)并行總線接口與W5300 通信。W5300 與DSP28335 的連接示意圖如圖3 所示。DSP28335 通過(guò)XINTF 接口和W5300 進(jìn)行通信，使用16 位并行總線，片選信號(hào)/XZCS7 與W5300 的片選信號(hào)/CS 相連。

圖3 W5300和DSP28335的連接示意圖

2.3 總電壓電流采集與溫度控制硬件設(shè)計(jì)

通過(guò)電阻分壓的方式將電池組輸出總電壓降低為較低的電壓，該電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路連接到DSP28335 的AD 引腳，由DSP28335 采集該電壓，進(jìn)而可以計(jì)算出電池組輸出的總電壓。

電流的采集使用的是LTS15-NP 電流傳感器，傳感器將采集的電流值轉(zhuǎn)換為電壓輸出，該電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)放電路輸入至DSP28335 的AD 引腳，根據(jù)采集的電壓值計(jì)算出實(shí)際的電流值。

該系統(tǒng)溫度控制模塊采用風(fēng)扇強(qiáng)制散熱的方式對(duì)鋰電池組進(jìn)行散熱。鋰電池組的電壓經(jīng)過(guò)DC/DC模塊轉(zhuǎn)換至合適的電壓給散熱風(fēng)扇供電。

3 鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

3.1 鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)的整體程序設(shè)計(jì)

鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)整體程序流程圖如圖4 所示。初始化過(guò)程包括如下部分：DSP28335時(shí)鐘、外設(shè)等的初始化，配置參數(shù)的讀取，W5300芯片的初始化，AD7280A 的初始化。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集鋰電池單體的電壓、電池組總電壓、電流、電池組溫度以及電路通斷狀態(tài)，每隔500 ms 上傳一次數(shù)據(jù)。DSP28335 接收到上位機(jī)發(fā)送的命令后，需要對(duì)命令進(jìn)行解析，然后做出相應(yīng)的回應(yīng)和處理，由命令處理模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度控制模塊主要是在電池溫度過(guò)高時(shí)，開啟風(fēng)扇，對(duì)電池組進(jìn)行降溫。鋰電池組的電壓、電流和溫度異常時(shí)，系統(tǒng)會(huì)上傳警告信息，并做相應(yīng)處理，自動(dòng)均衡處理模塊主要是防止充電時(shí)電池單體之間壓差過(guò)高。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)整體程序流程圖

3.2 AD7280A相關(guān)程序設(shè)計(jì)

DSP28335 與AD7280A 的通信使用的是SPI 接口，需要配置SPI 接口的時(shí)鐘極性為0，相位為1。在對(duì)AD7280A 正確初始化后，獲取所有電池電壓和所有輔助ADC 的過(guò)程簡(jiǎn)述如下[14-15]：

1）將寄存器地址0寫入全部器件的讀取寄存器。

2）將全部器件的控制寄存器的位[15:12]設(shè)置為0。

3）將0x02 寫入全部器件的/CNVST 控制寄存器，然后通過(guò)/CNVST 引腳的下降沿啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。

4）等待轉(zhuǎn)換完成，提供一個(gè)/CS 低電平脈沖，提供一個(gè)32CLK 周期幀回讀轉(zhuǎn)換結(jié)果。

5）將轉(zhuǎn)換的結(jié)果轉(zhuǎn)換為實(shí)際的電壓值。

在獲取AD7280A 輔助ADC 的電壓值后，可以計(jì)算得出熱敏電阻的阻值，進(jìn)而算出溫度值。

充電時(shí)，當(dāng)30 節(jié)電池中最高電壓和最低電壓大于設(shè)定的閾值0.1 V 時(shí)，進(jìn)行均衡管理，控制AD7280A 相應(yīng)的均衡輸出接口CBx 的輸出為高電平，相應(yīng)均衡電路導(dǎo)通，對(duì)最高電壓的鋰電池單體進(jìn)行放電；電池組放電時(shí)，均衡模塊不運(yùn)行。

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計(jì)

鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信通過(guò)W5300 以太網(wǎng)芯片實(shí)現(xiàn)。DSP28335 控制W5300 實(shí)現(xiàn)TCP 通信中的服務(wù)器端。

DSP28335 程序的主循環(huán)中調(diào)用void loopback_tcps(…)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)TCP 服務(wù)器的功能，該函數(shù)首先查詢Socket1 的狀態(tài)寄存器，根據(jù)不同的狀態(tài)值，做不同的處理。在W5300 和客戶端建立連接后，DSP28335 就可以通過(guò)W5300 接收客戶端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，也可以向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.4 溫度控制程序設(shè)計(jì)

溫度控制部分是鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)較為重要的組成部分，用于避免鋰電池組充放電過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的熱量而導(dǎo)致溫度的持續(xù)上升[16-17]。鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鋰電池組的溫度，當(dāng)鋰電池組的溫度高于設(shè)定值1 時(shí)，則開啟散熱風(fēng)扇對(duì)鋰電池組進(jìn)行散熱處理；而當(dāng)鋰電池組的溫度低于設(shè)定值2 時(shí)，關(guān)閉散熱風(fēng)扇。為了防止散熱風(fēng)扇在某個(gè)溫度值的附近頻繁切換工作狀態(tài)，因而讓風(fēng)扇的開啟和關(guān)閉對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的溫度設(shè)定值。如圖5 所示為溫度控制模塊的程序流程圖。

圖5 溫度控制模塊程序流程圖

3.5 異常保護(hù)程序設(shè)計(jì)

當(dāng)鋰電池單體的電壓異常、電流過(guò)高、溫度過(guò)高（電壓、電流和溫度的正常范圍都存儲(chǔ)在Flash 中）時(shí)，都會(huì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信上傳警告信息，根據(jù)上位機(jī)指令和系統(tǒng)設(shè)置的極限值做進(jìn)一步處理，如切斷電源。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試整個(gè)鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)，搭建了測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)和鋰電池組相連，并使用上位機(jī)軟件顯示監(jiān)控信息。

測(cè)試時(shí)，設(shè)定好上位機(jī)軟件網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信連接成功后，鋰電池組狀態(tài)信息就上傳至上位機(jī)軟件，充電一段時(shí)間后，上位機(jī)軟件獲取的鋰電池組監(jiān)控信息部分截圖如圖6 所示。圖6 中展示了充電過(guò)程中采集到的30 節(jié)鋰電池單體的電壓值、電流值、溫度和電路開關(guān)狀態(tài)，可以看出鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)獲取電池組狀態(tài)信息的功能。

圖6 監(jiān)控信息部分截圖

充電前，通過(guò)對(duì)部分電池放電，使得電池單體之間的電壓有差異，最高和最低電壓壓差超過(guò)0.1 V，充電過(guò)程中，鋰電池單體之間的電壓差逐漸縮小，一段時(shí)間后小于0.1 V，說(shuō)明自動(dòng)均衡模塊功能正常。

為了測(cè)試鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)采集電池單體電壓的精度，電池組空載時(shí)用萬(wàn)用表對(duì)10 節(jié)電池單體進(jìn)行測(cè)量，將數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，并與鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)。電池單體電壓測(cè)量值如表1所示，可以看出鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)得的電壓值比較精確。

表1 電池單體電壓測(cè)量值

測(cè)試時(shí)，將監(jiān)控系統(tǒng)采集的電池組溫度和儀表測(cè)得的溫度進(jìn)行對(duì)比，溫度值相差2 ℃以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。為了驗(yàn)證監(jiān)控系統(tǒng)溫控的功能，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，溫度閾值設(shè)定值1 設(shè)置為30 ℃，溫度閾值設(shè)定值2 設(shè)置為27 ℃，鋰電池組的溫度隨充電時(shí)間而升高，當(dāng)溫度高于30 ℃時(shí)，風(fēng)扇啟動(dòng)，可以根據(jù)上位機(jī)軟件看到溫度在逐漸下降；當(dāng)溫度低于27 ℃時(shí)，風(fēng)扇關(guān)閉，之后重復(fù)以上過(guò)程，這表明溫度控制模塊對(duì)鋰電池組的散熱有明顯的作用。

測(cè)試時(shí)，通過(guò)設(shè)定合理的異常值參數(shù)，保證不破壞系統(tǒng)，進(jìn)行異常保護(hù)功能測(cè)試，充放電測(cè)試中，電壓、電流、溫度異常時(shí)，系統(tǒng)上傳了警告信息，電流過(guò)大、溫度過(guò)高嚴(yán)重威脅系統(tǒng)安全時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)了保護(hù)機(jī)制，切斷了電源輸出。

5 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)了鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)，首先介紹了鋰電池組監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，最后對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以監(jiān)控電池組實(shí)時(shí)狀態(tài)信息（電壓、電流、溫度等），具有網(wǎng)絡(luò)通信功能，可以基于實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行溫度控制，也具有一定的保護(hù)機(jī)制。該系統(tǒng)采集精度高，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的功能，滿足了設(shè)計(jì)要求。