胡國(guó)民，周志景

(1.南京康尼機(jī)電股份有限公司 軌道交通事業(yè)總部，江蘇 南京210013;2.東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京210096)

鋰離子電池因具有高能量密度、高工作電壓、無(wú)記憶效應(yīng)等特點(diǎn)［1］，在電動(dòng)吸塵器、電動(dòng)自行車、割草機(jī)等產(chǎn)品中備受青睞。

由于生產(chǎn)工藝限制，鋰離子電池單體的存儲(chǔ)容量、電壓、內(nèi)阻等參數(shù)即使在同一批電池中也會(huì)存在差異，且這種不一致會(huì)在使用過(guò)程中逐漸增加。鋰離子電池組中單體不一致會(huì)造成電池組無(wú)法發(fā)揮最大容量，而且會(huì)大幅縮短電池組的使用壽命。此外，由于鋰離子電池的特殊性，在使用中如果發(fā)生過(guò)充、過(guò)放或過(guò)流等問(wèn)題，會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損壞，甚至將造成安全事故［2］。因此，設(shè)計(jì)安全可靠的充放電管理系統(tǒng)是多節(jié)鋰離子電池組使用中的重要環(huán)節(jié)。

本文設(shè)計(jì)了一款基于TI電池管理芯片BQ77PL900的多節(jié)鋰離子電池組充放電管理系統(tǒng)，采用嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)與通訊技術(shù)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池工作狀態(tài)，測(cè)量電池的電壓、電流及溫度，并保持電芯間電壓一致性等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)鋰電池的智能管理與保護(hù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)總體電路由CPU模塊、電池管理模塊、電池包、電源、RS232通訊接口、外圍設(shè)備和調(diào)試下載接口等模塊組成，系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖1中，充電器通過(guò)電源接口在管理芯片控制下對(duì)電池包充電。充電采用恒流－恒壓(CC－CV)模式。充電過(guò)程中，電池禁止放電。

此外，電池管理芯片隨時(shí)監(jiān)測(cè)電池總電壓與單節(jié)電池電壓以避免過(guò)壓或欠壓，并實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各電池電壓的平衡。

CPU通過(guò)下載口實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)試、參數(shù)的讀取、程序的下載;通過(guò)RS232接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊，可實(shí)時(shí)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。此外，主控電路板還帶有溫度傳感器、LED指示燈等外設(shè)。

2 關(guān)鍵器件選型

圖1中，CPU和電池管理芯片是系統(tǒng)的核心。

2.1 電池管理芯片選型

目前市場(chǎng)上的電池管理芯片較多，其中TI公司的BQ77PL900電池管理與保護(hù)器件可管理4～10節(jié)電池組，通過(guò)級(jí)聯(lián)可保護(hù)11～20節(jié)電池組，因而在多節(jié)電池組應(yīng)用中備受關(guān)注［3］。該器件可為電動(dòng)自行車、電動(dòng)踏板車、便攜式園藝工具以及不間斷電源提供簡(jiǎn)化的電池組管理方案。

BQ77PL900不僅可以通過(guò)監(jiān)控單個(gè)電池電壓實(shí)施保護(hù)，還可在發(fā)生故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)2個(gè)N通道功率MOSFET來(lái)中斷電流。產(chǎn)品的故障檢測(cè)與恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)可在非易失性存儲(chǔ)器中全面編程，從而適用于所有類型的鋰離子電池系統(tǒng)。主要特性:低功耗工作，低靜態(tài)電流(典型值為50μA，判斷模式下為2.5μA)可以在閑置期減少電池放電，從而可較大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命。

2.2 CPU選型

考慮到充電設(shè)備產(chǎn)品一般對(duì)低功耗和通訊等要求較高，本設(shè)計(jì)選取PIC18LF4520芯片為CPU［4］，芯片主要特性如下:(1)低功耗，處于空閑模式時(shí)電流降至5.8μA(典型值)，處于休眠模式時(shí)電流降至0.1μA。(2)高灌/拉電流25 mA/25 mA。(3)最多13路通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(A/D)，可在休眠模式下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(4)主同步串口(Master Synchronous Serial Port，MSSP)模塊支持3線SPI和I2C主從模式。(5)增強(qiáng)型可尋址USART模塊。支持RS－485、RS－232和LIN 1.2。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 電流檢測(cè)及充、放電控制電路設(shè)計(jì)

BQ77PL900芯片帶有電流檢測(cè)功能，可測(cè)量電池回路的電流，并通過(guò)測(cè)量SRBGND與SRPGND兩腳間的電壓差，經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行電壓信號(hào)的放大，最后輸出電流值。如圖2所示。

圖2 電流檢測(cè)電路

BQ77PL900芯片通過(guò)CHG和DSG腳控制電池充、放電功能。當(dāng)CHG輸出高電平時(shí)，充電MOSFET關(guān)斷，停止充電;當(dāng)CHG輸出低電平時(shí)，充電MOSFET導(dǎo)通，進(jìn)行充電。DSG、CHG開(kāi)關(guān)工作原理，如圖3所示。

圖3 充放電控制電路

3.2 I2C通訊電路設(shè)計(jì)

PIC18LF4520帶有主從同步串口模塊，支持3線SPI(共4種模式)和I2C主從通訊模式。I2C通訊電路圖如圖4所示。

圖4 I2C通訊電路

圖中，PIC18F4520的SDATA(RC4)、SCLK(RC5)腳分別與BQ77PL900的SDATA與SCLK腳相連，通過(guò)4.7 kΩ的電阻上拉。

3.3 溫度檢測(cè)電路

考慮到電池包安裝與測(cè)量精度的要求，本電路采用NTC負(fù)溫度系數(shù)溫度傳感器。電路圖如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)電路

使用TL431設(shè)計(jì)穩(wěn)壓源作為A/D轉(zhuǎn)換的參考高電壓，地電位作為參考低電壓，以提高測(cè)量精度。

3.4 RS232串口通訊電路

設(shè)計(jì)使用MAX3232E作為RS232串口通訊的電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊，如圖6所示。

圖6 RS232串口通訊電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)使用有限狀態(tài)機(jī)編程思想［5］，其假設(shè)系統(tǒng)具有有限個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是對(duì)輸入事件的響應(yīng)。系統(tǒng)在任何時(shí)刻始終處于某一確定的狀態(tài)上，且其行為確定。其總體實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。

圖7 總體軟件實(shí)現(xiàn)流程圖

程序啟動(dòng)后，通過(guò)I2C通訊修改BQ77PL900的相關(guān)EEPROM寄存器，進(jìn)行過(guò)壓閾值、欠壓閾值、過(guò)流/短路閾值設(shè)定。

閾值設(shè)定完成后進(jìn)入狀態(tài)機(jī)程序。狀態(tài)機(jī)程序開(kāi)始后，進(jìn)行看門狗定時(shí)器的清0。清0完成后，系統(tǒng)進(jìn)行當(dāng)前狀態(tài)判斷。所有工作狀態(tài)可分為:充電狀態(tài)、故障狀態(tài)和空閑狀態(tài)。確定狀態(tài)后進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)處理程序并執(zhí)行相應(yīng)處理動(dòng)作。

4.2 充電管理軟件實(shí)現(xiàn)

處于充電狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)每節(jié)電池電壓、電池總電壓、電池工作溫度，定時(shí)器記錄充電時(shí)間。而系統(tǒng)進(jìn)行電池平衡、過(guò)壓保護(hù)、充電完成指示、過(guò)溫保護(hù)等動(dòng)作。其中，充電過(guò)程流程圖如圖8所示。

狀態(tài)機(jī)初次進(jìn)入充電狀態(tài)時(shí)，初始化充電相關(guān)寄存器，以后則不再進(jìn)行初始化以提高程序執(zhí)行速度。電池平衡過(guò)程包括:判斷電壓是否達(dá)到開(kāi)始平衡電壓值;電芯間電壓是否平衡;若電池電壓不平衡，進(jìn)行電池平衡過(guò)程。充電超過(guò)6小時(shí)表明電池已損壞，并停止充電。

4.3 故障狀態(tài)與空閑狀態(tài)軟件程序

系統(tǒng)進(jìn)入故障狀態(tài)后，斷開(kāi)充、放電開(kāi)關(guān)，指示燈指示故障狀態(tài)。空閑狀態(tài)時(shí)，斷開(kāi)充、放電開(kāi)關(guān)，關(guān)閉指示燈，PIC18LF4520進(jìn)入休眠。每隔一段時(shí)間，系統(tǒng)喚醒控制芯片，進(jìn)行狀態(tài)查詢，重新回到狀態(tài)機(jī)。

圖8 充電管理軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)時(shí)首先對(duì)過(guò)充、過(guò)放及過(guò)流等保護(hù)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。另外，還測(cè)試了溫度保護(hù)、電池電壓檢測(cè)、上位機(jī)通訊、LED指示等諸多功能。下面重點(diǎn)介紹電池平衡的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，這也是多節(jié)電池組管理中的重要部分。

以10節(jié)電池作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)測(cè)量10節(jié)電池的電壓來(lái)分析電池平衡結(jié)果。

首先，設(shè)置電池平衡開(kāi)始電壓為單節(jié)電池電壓超過(guò)4.05 V;所有電池電壓在3.9～4.05 V之間時(shí)，不再進(jìn)行電池平衡動(dòng)作。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可見(jiàn)，所有電池電壓未達(dá)到4.05 V，此次實(shí)驗(yàn)未進(jìn)行電池平衡。

表1 充電測(cè)試1電壓數(shù)據(jù)

然后，重新設(shè)置電池平衡開(kāi)始電壓為單節(jié)電池電壓超過(guò)4.1 V;所有電池電壓在4.0～4.1 V之間時(shí)，不進(jìn)行電池平衡動(dòng)作。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 充電測(cè)試2電壓數(shù)據(jù)

由表2可知，本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了電池平衡，并成功控制所有電池電壓在4.0～4.1 V范圍之間，且電池最高電壓接近4.1 V。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于BQ77PL900的充放電管理系統(tǒng)，采用PIC18LF4520作為核心處理器，成功完成10節(jié)電池的充放電管理功能，包括電池電量平衡、過(guò)流/短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)等。并給出了系統(tǒng)詳細(xì)的軟、硬件設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，本系統(tǒng)完全達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。同時(shí)該系統(tǒng)對(duì)多節(jié)鋰電池供電的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)也具有良好的參考價(jià)值。

［1］ 戴永年，楊斌，姚耀春，等.鋰離子電池的發(fā)展?fàn)顩r［J］.電池，2005(3):193－195.

［2］ 陳玉紅，唐致遠(yuǎn)，盧星河，等.鋰離子電池爆炸機(jī)理研究［J］.化學(xué)進(jìn)展，2006(6):823－831.

［3］ 盧林.電池管理設(shè)計(jì)及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子測(cè)試，2007(12):7－11.

［4］ 李學(xué)海.PIC單片機(jī)實(shí)用教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

［5］ 徐衛(wèi)林，羅林.有限狀態(tài)機(jī)的可靠性設(shè)計(jì)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(1):93－94.