鉅大LARGE | 點擊量：466次 | 2022年04月08日
采用M68HC08GZ16的鋰離子電池管理系統設計
電動汽車是指全部或部門由電機驅動的汽車。目前重要有純電動汽車、混合電動汽車和燃料動力電池汽車3種類型。電動汽車目前常用的動力來自于鉛酸電池、鋰離子電池、鎳氫電池等。
鋰離子電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當前比能量最高的電池。但恰是由于鋰離子電池的能量密度比較高，當發生誤用或濫用時，將會引起安全事故。而電池治理系統能夠解決這一題目。當電池處在充電過壓或者是放電欠壓的情況下，治理系統能夠自動堵截充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節電池的壓差維持在一個很小的范圍內。此外，還具有過溫、過流、剩余電量估測等功能。本文所設計的就是一種基于單片機的電池治理系統。
1電池治理系統硬件構成
針對系統的硬件電路，可分為MCU模塊、檢測模塊、均衡模塊。
1.1MCU模塊
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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%
MCU是系統控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號的單片機。該系列所有的MCU均采用增強型M68HC08中心處理器(Cp08)。該單片機具有以下特性：
(1)8MHz內部總線頻率;(2)16KB的內置FLASH存儲器;(3)2個16位按時器接口模塊;(4)支持1MHz～8MHz晶振的時鐘發生器;(5)增強型串行通訊接口(ESCI)模塊。
1.2檢測模塊
檢測模塊中將對電壓檢測、電流檢測和溫度檢測模塊分別進行先容。
1.2.1電壓檢測模塊
本系統中，單片機將對電池組的整體電壓和單節電壓進行檢測。關于電池組整體電壓的檢測有2種方法：(1)采用專用的電壓檢測模塊，如霍爾電壓傳感器;(2)采用精密電阻構建電阻分壓電路。采用專用的電壓檢測模塊本錢較高，而且還要特定的電源，過程比較復雜。所以采用分壓的電路進行檢測。10串錳酸鋰離子電池組電壓變化的范圍是28V～42V。采用3.9M?贅和300k?贅的電阻進行分壓，采集出來的電壓信號的變化范圍是2V～3V，所對應的AD轉換結果為409和*。
關于單體電池的檢測，重要采用飛電容技術。飛電容技術的原理圖如圖1所示，為電池組后4節的保護電路圖，通過四通道的開關陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動信號，控制MOS管的導通和關斷，從而對電池組的充電放電起到保護用途。
如圖1所示，為電池組后4節的保護電路圖，通過四通道的開關陣列可以將后4節電池的任意1節電池的電壓采集到單片機中，單片機輸出驅動信號，控制MOS管的導通和關斷，從而對電池組的充電放電起到保護用途。
以上6節電池可以用2個三通道開關切換陣列來實現。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開關，通過選址實現通道的選擇。開關S5、S6、S7負責將電池的正極連接至飛電容的正極。開關S2、S3、S4負責將電池負極連接至飛電容的負極。三通道開關切換陣列結構與四通道開關切換陣列類似，只是通道數少1路。工作時，單片機發出通道選址信號，讓其中1路電池的正負極與電容連接，對電容進行充電，然后斷開通道開關，接通跟隨放大器的開關，單片機對電容的電壓進行快速檢測，由此完成了對1節電池的電壓檢測。若發現檢測電壓小于2.8V，則可推斷出電池可能發生短路、過放或保護系統到電池的檢測線斷路，單片機將馬上發出信號堵截主回路MOS管。重復上述過程，單片機即完成對本模塊所治理的電池的檢測。
1.2.2電流采樣電路
電流采樣時，電池治理系統中的參數是電池過流保護的重要依據。本系統中電流采樣電路如圖2所示。當電池放電時，用康銅絲對電流信號進行檢測，將檢測到的電壓信號經由差模放大器的放大，變為0～5V的電壓信號送至單片機。假如放電的電流過大，單片機檢測到的電壓信號比較大，就會驅動三極管動作，改變MOS管柵極電壓，關斷放電的回路。好比，關于36V的錳酸鋰離子電池來說，設定其保護電流是60A。康銅絲的電阻是5mΩ左右。當電流達到60A時，康銅絲的電壓達300mV左右。為進步精度，將電壓通過放大器放大10倍送至單片機檢測。
1.2.3溫度檢測
電池組在充、放電過程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來，這部分熱量不及時排除會引起電池組過熱。假如單個鎳氫電池溫度超過55℃，電池特性就會變質，電池組充、放電平衡就會被打破，繼而導致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發生，要對電池組溫度進行實時監測并進行散熱處理。
采用熱敏電阻作為溫度傳感器進行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來表示：
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