锂电池管理系统的研究与实现 ― 锂电池管理系统的硬件实现

3.3.3温度采样的实现

3.3.3.1温度传感器DS18B20简介

电池温度是系统评估电池的SOC和判断电池能否正常使用的关键性参数，温度影响电池的充电效率，同时如果电池的温度超过一定值，有可能造成电池的不可恢复性破坏。电池组之间的温度差异造成电池组单体之间的不均衡，从而造成电池寿命的降低。

本电池管理系统中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，同时该数据线还可兼做电源线，即具有寄生电源模式。因为对于每个DS18B20都含有唯一的序列码，所以每条总线上可同时连接多个DS18B20.这使得DS18B20连线简单，系统设计灵活，适合于多种测温系统，特别是与单片机合用构成的温度检测与控制系统。

DS18B20的内部主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL触发器与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等七部分。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除的EEPROM.后者用于存储用户设定的温度报警上下限值TH，TL.前者内部的配置寄存器可用于确定温度值的数字转换分辨率，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间之间权衡考虑。

高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成。其中第1，2字节为温度信息、第3，4字节为TH和TL值、第6——8字节未用，表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。

DS18B20将转换的温度值以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。对应的温度计算：当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制;当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。

工作中系统对DS18B20的操作以ROM命令和存储器命令形式出现。其中ROM操作指令分别为：读ROM(33H)、匹配ROM(55H)、跳过ROM(CCH)、搜索ROM(FOH)和告警搜索(ECH)

命令。暂存器指令分别为：写暂存存储器(4EH)，读暂存存储器(BEH)、复制暂存存储器(48H)、温度转换(44H)和读电源供电方式(B4H)。

3.3.3.2温度检测电路设计及工作原理

温度检测系统，采用直接电源供电方式。当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs.由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。同时由于读写在操作上是分开的故不存在信号竞争问题。

在系统安装及工作之前，应将主机逐个与DS18B20挂接，读出其序列号。其工作过程为：主机发一个脉冲，待“0”电平大于480μs后，复位DS18B20，待DS18B20所发响应脉冲由主机接收后，主机再发读ROM命令代码33H(低位在前)，然后发一个脉冲(15μs)并接着读取DS18B20序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。对于系统的DS18B20操作的总体流程图，它分三步完成：1.系统通过反复操作，搜索DS18B20序列号;2.启动所有在线DS18B20做温度A/D变换;3.读出在线DS18B20变换后的温度数据。主机启动温度变换并读取温度值;主机写入存储器数据。当有更多的检测点需要测温时，利用ATMEGABL的其它口进行扩展。具体电路图如下：

3.4充电控制模块设计

常规充电法是按预充、恒流、定压三阶段进行，时序图如图3-6所示：

为提高充电效率，本电池管理系统的预充和定压充电阶段采用间歇式充电法，如图3-7所示：

对装有电池管理系统的锂离子电池组充电时，必须外接与之匹配的恒压限流型的电源括配器。其恒压值U为

U=4.2*N+损耗电压

式中：N为电池节数。

限流值为该动力锂电池的常规充电电流0.3C(C为电池容量)，在实行充电前必须先进行系统的初始化，然后才按预充、恒流充电和恒压充电三个阶段进行自动充电。

1.初始化

虽然初始化阶段并未开始对电池充电，但却是整个充电过程很重要的一步。智能能源管理模块在此阶段对自身进行初始化和自检，以确定自身是否工作正常，同时检测充电条件是否符合充电要求：

(1)外接充电电源极性是否正确;

(2)外接充电电压是否在规定范围内;

(3)当时温度是否在允许范围内;

(4)锂离子电池端电压(各单体)是否在允许的最低充电电压以上;

(5)锂离子电池端电压(各单元)是否高于过充电检测电压;

2.预充

预充电不是每次都要进行，其目的是当电池过度放电、存放时间太长或电池已经损坏，电池端电压已经低于锂离子电池允许的最低充电压以下时，必须以小的电流(约为正常充电电流的1/10)进行预充，使锂离子电池端电压上升到最低允许充电电压以上，才能转为下一个充电程序——恒流充电。

预充原理是电源适配器通过MCU控制向电池施加一个比较小的充电电流(约为正常充电电流的1/10)，使得低于允许的最低充电压以下的电池在固定的时间内达到最低允许充电电压值，避免将深度放电的电池认为是不可充的电池。

如图3-8所示，本模块的预充是电源适配器通过预充开关管S1、电阻R4、S3向电池预充的，这时MCU通过程序控制放电开关管S3全导通，预充开关管S1做间歇式导通，采用较短的导通时间及间隔较长的关断时间(等效平均电流较小)向电池预充，直至电池的端电压上升到锂离子电池允许的最低充电电压(2.5——2.7V之间，与温度有关)，然后进人下一充电阶段——恒流充电;若长时间预充电池端电压都不能到达最低允许充电电压，则说明电池已损坏，程序进人充电禁止状态。

3.恒流充电

本电池管理系统对锂电池恒流充电要求外置充电电源是恒流的，其恒流值应小于锂离子电池的最大允许充电电流，本系统定为0.3 C.MCU通过程序控制充电开关管S2、放电开关管S3全导通，电源适配器通过充电开关管S2、放电开关管S3向电池组恒流充电。电池电压将缓慢上升，一般充电时间为2—3小时，这时电池电量达到了满电量的70%——80%.当单个电池单元电压达到所设定的终止电压时，恒流充电终止，充电电流快速递减，充电进入保持充电过程。

4.保持充电

本电池管理系统在保持充电阶段采用脉冲充电方式，在这一阶段中，脉冲充电方式以与恒流充电阶段相同的电流值间歇性的对电池进行恒流充电一段固定的时间t，然后关闭充电回路。由于充电电流的存在，电池电压将继续上升超过充电终止电压，在充电回路被切断后，电池电压又会慢慢下降。当电池电压恢复到充电终止电压时，重新打开充电回路，仍然对电池以恒流电流值进行充电，而后又关闭充电回路等待电池电压的下降。在脉冲充电电流的作用下，电池会被逐渐充满，电池端电压下降的速度也逐渐减慢。这一过程一直持续到电池电压恢复时间达到某个预设的值为止，可以认为电池己接近充满。

本系统的各种保护及工作状态都要用到大功率电子开关，本系统采用大功率、低导通电阻的MOSFET.使用MOSFET的原因是本电路既有充电回路，又有放电回路，为此电子开关器件应具有双向导通能力，而MOSFET具有此种能力。实际电路中的MOSFET采用IRF4905，其典型的导通电阻为20mΩ，Vds=55V，Id=74A.

3.5均衡模块原理与方案设计

3.5.1国内外锂电池组的均衡方法综述

当锂离子电池组由多个单体电池串联使用时，即使单节电池的性能再优良、质量再好，若配组使用的各单体电池特性不一致，都会导致电池组内部各单体电池过充和过放情况的严重不一致，就内部单体电池而言，串联使用比单个使用更容易发生过充和过放现象，且不易发现。任意一个电池的特性加剧恶化时，将导致电池组内其它电池发生多米诺骨牌效应的连锁性、加剧性损坏。电池组的品质由其中质量最差的一只电池决定，一只电池质量差不仅影响了整个电池组的性能，还会引起恶性的连锁反应，使差的更差，好的也会迅速变差。为解决上述问题，目前通用的做法是将单体电池精选配对，组合成优质的电池组，最大限度地减小单体电池间的差异。

就算动力锂离子电池组解决了配组的前期技术问题，电池组在使用中亦会使其特性产生变化，目前对电池组在使用中由于特性变化产生的导致电池组整体特性急剧衰退和部分电池加速损坏的现象，并无有效的解决办法，只能在电池组充、放电过程中检测到有一个电池处于过充或过放状态，保护电路就将整个充、放电电路关断。由于上述原因，动力锂离子电池组在实际使用中(特别是充电时)解决各单节锂电池在电池组中的平衡问题极为重要。目前国外采用的均衡方法主要有：能耗的方法和无能耗的方法。

3.5.1.1能耗均衡方法

典型的方法是利用发热电阻旁路分流，旁路分流均衡法原理图如图3-9所示。B1、B2……Bn为组成锂离子电池组的各单元电池，K1、K2……Kn为MCU控制的多路开关，R1、R2…… Rn，为放电平衡电阻。当电池组充电时充电电流I在各节电池中都相等。当某节(例如：B2)电池电压高于其他电池超过某值时，MCU控制的多路开关K2合上，B2通过R2分流，使B2电压下降，如此反复循环n次使得锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案简单、可靠，但电阻会消耗电能并发热，使用中需注意选取电阻阻值及功率，其最大的缺点是放电(工作)使用中，各单元平衡则白白消耗了锂离子电池组的电能。

3.5.1.2无能耗的均衡方无能耗的均衡方法是利用一个活动的分流元件或电压或者电流转换器件来将能量从一节单体转移到另一节单体。这些器件可以是模拟的，也可以是数字的。两种主要的方法是电容平衡和能量转换。

电容平衡原理图如图3-9所示。B1、B2……Bn为组成锂离子电池组的各单元电池，K1、K2……Kn为MCU控制的多路开关，C为平衡电容。当电池组充电时，若某节(例如：B2)电池电压高于其他电池超过某值、而B3最低，MCU控制的多路开关K2，K3合上，KA、KB都切换在a点，B2通过K2、K3、KA、KB向C充电，在C充满电后，MCU控制的多路开关K3、K4合上，KA、KB切换都在b点，电容C通过K4、K3、KA、KB向B3释放电能，使B2电压下降，B3电压上升，如此反复循环n次使得锂离子电池组各单元电池能平衡充电。此方案亦较为简单、可靠，但使用中应注意掌握好电容充放电时间，其最大的优点是充、放电(工作)使用中，都可平衡各单元电池的功能，且不消耗锂离子电池组的电能。