锂电池状态监控与报警系统设计

张 凯, 何赟泽, 于 湛

(1. 深圳职业技术学院 汽车与交通学院, 广东 深圳 518055；2. 湖南大学 电气与信息工程学院, 湖南 长沙 410082)

目前动力电池使用的主流电池是锂电池(包括三元电池在内),锂电池虽然在能量密度、功率密度等方面有突出表现,但是其安全性自从其应用以来一直受人关注。锂离子电池产生故障的原因多种多样,主要有电池单体制造质量问题、电池一致性不够带来的风险以及使用不当和意外事故造成的危害。目前条件下,除了要改进电池制造工艺、加强规范操作和安全冗余度设计等工作外,加强对汽车动力电池日常巡检、加装状态监控系统是减少其故障的重要途径。有效的状态监控可提早发现问题,并采用针对措施防止故障升级[1]。为方便开展相关理论研究,本文设计制作一套电池管理系统,能够对电池电压、电流、温度及荷电状态等参数进行实时监控。

1 系统原理和结构组成

锂电池状态监控与报警系统主要包含主控、测量、诊断、显示和报警等子模块单元,系统的结构框图见图1。

图1 锂电池状态监控系统结构框图

设计思路：在主控模块控制下,实时测量锂电池电压、电流、温度及荷电状态(SOC)并进行LCD显示,对测量值进行阈值诊断并进行声光报警。锂电池电压信号直接通过数模转换芯片转换为数字量后送主控芯片处理。电流信号需要经过电流传感器芯片得到一个与电流成线性关系的电压值,再将其输入数模转换芯片转换为数字量后送主控芯片。温度信号直接由温度传感器采集,输入主控芯片处理。SOC测量方法采用容量积分法,该方法是一种常见的电量累计方法,通过累积电池在充电或放电时的电量来估计电池的SOC,并根据电池的电压、温度、放电率等对数值进行补偿。本系统实际计算时会采用电流i(t)和时间t相乘并累加的办法估算该数据[2-3]。SOC计算如下：

(1)

(2)

其中C放为电池的放电量,C额为电池额定容量。

测量结果由主控芯片处理后由液晶显示,当电池状态发生异常(如过流)时,声光报警模块发出相应警示,并可自动采取保护措施(如限流或断电)。

1.1 主控模块

本系统主控芯片采用STC12C5A60S芯片,该芯片功能强、速度快、寿命长、价格低、还具有可反复进行擦写、断电数据不丢失等优势。使用时可直接将编好的程序用ISP软件下载到芯片中,执行相应的控制处理功能。

本电池管理监控系统主控芯片为40引脚的双列直插芯片,其I/O口都能够独立作为输出或输入,如图2所示。芯片18和19引脚外接时钟电路,TXAL1及TXAL2外接晶振和微调电容。第9引脚为复位输入端,外接基本分立器件构成复位电路。

图2 系统主控制器原理图

1.2 数模转换模块

该模块采用ADC0832数模转换芯片(见图3),该芯片是8脚双列直插式双通道A/D转换器,能分别对两路模拟信号实现模数转换,可以在单端输入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式,芯片模拟电压输入在0～5 V之间,通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送,8位分辨率(最高分辨力达256级),可适应普通模拟转换要求,并且模数转换速度快、稳定性能好[4]。

图3 ADC0832引脚图

ADC0832工作时,被测的电压进行通道选择并进入CH0或者CH1通道,采用串行通信方式。CS、CLK、DI、DO与单片机P3接口相连,当使能端CS电平为低时,ADC0832开始工作,单片机同时向AD发送时钟信号,依据DO和DI确定通道信号,实现模拟量向数字量的转换,送入处理器进行处理。

1.3 电流传感器

电流测量的常见方式有分流器、互感器和霍尔电流传感器3种。分流器优势在于价格较低、精度较高、适应交直流等各种场合,但需要将精密电阻插入电路,无电气隔离；互感器使用简单、可实现电气隔离,但是不能测量直流大小；霍尔传感器方便易用,测量结果的精度和线性都较好,可用于交、直流和脉冲电流。经过对比,选择霍尔传感器方式测量电流,系统采用ACS712ELCTR-05B型霍尔式电流互感器。霍尔元件因磁场感应出线性电压信号,经过芯片放大、滤波等调理过程,从芯片管脚输出处理后的电压信号,此信号准确反映流经铜箔电流大小[5],总的输入与输出在量程区间呈现优良的线性关系(见图4)。本系统选用的ACS712-05B量程为5 A,灵敏度系数r=185 mV/A。由于斩波电路的缘故,电压输出会叠加在0.5Vcc上,因而输出与输入的数学关系为Vout=0.5Vcc+Ipr。

图4 ACS712输入输出线性关系

芯片的Vcc通常为5 V,因此有

Vout=2.5+0.185Ip

(3)

其中,Vout为传感器输出电压,Ip为所测量的电流数值。

根据此公式获得输出电压即可通过软件程序计算出电流值。

1.4 温度传感器

温度测量采用数字式温度传感器DS18B20,其测量精度高、量程宽。该测温芯片只需1条通信数据线,仅占用1个处理器端口,且无需配置模数转换芯片,做到了经济性和易用性的统一,当阵列对象需要同时进行温度监控的场合尤其方便(如电动汽车动力电池)。

该芯片外观及典型应用电路如图5所示,其主要性能特点:可通过数据线供电,电压范围为3.0～5.5 V；测温范围为-55～+125 ℃；独特的单线接口,无需其他元件,仅需一个端口引脚进行通信；多个传感器可并联使用,方便组网；可识别并标定超过程序设定的温度(即报警条件)[6]。

图5 DS18B20测温芯片外观及其典型应用电路

1.5 显示模块

本电池管理监控系统显示模块选用LCD1602液晶显示器。该器件具有功耗低、体积小等优点,近年来在单片机控制的智能仪表和消费电子产品中获得广泛应用[7]。除液晶显示模块外,本系统还设置了LED指示灯及蜂鸣器报警的方式对异常信息进行输出提示。

LCD1602分为带背光和不带背光两种,其原理及控制器基本一致,带背光的比不带背光的厚,二者使用方法几乎相同。该显示器主要技术参数:显示容量为16×2个字符，片工作电压为4.5～5.5 V，工作电流为2.0 mA(5.0 V)，模块推荐工作电压为5.0 V，字符尺寸为2.95 mm×4.35 mm(W×H)。LCD1602采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,引脚功能见表1。

2 系统软件设计

软件设计采用模块化设计思路,电池信息测量监控分为4个模块，即电压采集、电流采集、温度采集和电量计算(间接计算SOC),其他模块还包括按键扫描、诊断控制、LCD显示和报警模块,分别进行程序设计,并利用主程序调用。本系统的软件流程见图6。

图6 系统软件流程

系统上电后先进行初始化,ADC0832通过CH0和CH1脚采集电压和电流信号,DS18B20温度传感器同时采集温度信号,各种信号送入主控芯片进行处理数据,在此过程中实时进行电量累积从而间接获得荷电状态(SOC)[8],相关数据通过LCD1602显示。诊断和报警模块用于比较当前测量值和阈值,并在异常时给出报警信号。当测量值超出正常阈值时,LCD显示异常信息,同时驱动相应故障LED灯闪烁,发出蜂鸣。当发生相关异常情况时,程序可由控制单元驱动继电器进行电路切断的保护动作。以电压信号处理为例,如采集到的电压信号高于最高允许电压或低于最低允许电压时,LCD会输出“过压”或“欠压”报警信号并切断电路,否则只正常显示电压值。

3 测试与讨论

根据以上原理设计出硬件检测和控制电路,并编制处理程序,制作的电池参数测量监控与报警系统实物见图7。系统选用18650锂离子电池(不带保护板)作为测试对象,其额定容量为3 400 mAh,额定电压为3.7 V,负载选用可调电阻。上电初始化结束后,液晶屏开始实时显示电池电压、电流、温度、SOC数值,当电压高于4.3 V及低于2.7 V时提示“过压”及“欠压”,同时相应指示灯闪烁；放电电流大于设定电流(如10 A)时过流指示灯闪烁；温度值高于设定值(如60 ℃)时过温指示灯闪烁；SOC低于设定值(如20%)时同样方式进行低电量报警；以上情景在指示灯闪烁的同时蜂鸣器报警。现场测试表明,本系统可以完成预定的设计功能,具体测试情景见表2。

图7 电池测量监控系统实物

表2 电池状态监控报警情况列表

注:LCD负责电压、电流、温度和容量的数值显示与异常情况提醒,LED红绿状态起辅助提醒作用,蜂鸣器在LED红灯亮时发出间断嘀嘀声。

4 结论

本锂离子电池管理系统目前可检测电池(单体)的电压、工作电流、电池温度、电池荷电状态(SOC)等基本参数,且测量误差较小。后期该系统可以很方便进行改进,加装烟雾传感器、CO气体传感器、光照传感器等相应器件,即可更真实和多样化地模拟实际电池故障的报警环境,亦可以成组阵列使用对电池组进行实时测量监控与报警。

References)

[1] 宋杨. 锂离子电池系统检测与评估[M]. 北京:清华大学出版社,2014.

[2] 张凯.动力电池管理及维护技术[M]. 北京:清华大学出版社,2017.

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[4] 黄菁,刘青春. DSP与AD转换器的接口电路设计[J]. 电子技术,2012,39(4):27-29,16.

[5] 俞志勇,李青,王燕杰,等. 基于PID的流量调节阀的设计[J]. 计算机测量与控制,2016,24(8):118-121.

[6] 张发海. 基于单片机STC89C52的LED数码管温度显示及报警器的实现[J]. 科技信息,2009(35):87-88.

[7] 白雪. 基于单片机的液晶显示教具设计[J]. 科技创新与应用,2016(14):80.

[8] 刘锦绢,刘贤兴,孙金虎, 等. 新能源汽车用动力电池管理系统设计[J]. 电源技术,2013,37(6):966-968.