基于MSP430的锂电池组能量均衡控制器设计

张秋艳 ，高平安，李天鹏，李 贝

（1.榆林学院 能源工程学院，榆林 719000；2.榆林市气象局，榆林 719000）

随着石油能源紧缺和环境质量要求的日益增长，电动汽车成为当前新秀，而电动汽车的动力系统主要还是锂电池。但在实际应用中，锂电池成组后单体电池之间存在过充、过放等许多问题，导致了单体电池之间的不一致现象[1-2]。且动力系统的锂电池在成组后，各个单体电池的不一致现象严重地影响了锂电池组的性能，严重缩短了其使用寿命[3-4]。因此锂电池组的能量均衡控制是整个电动汽车系统的重要技术，给电池组增加其他的均衡电路和器件以达到电池组的均衡，考虑到系统的空间大小和功耗问题，本文提出了一种基于低功耗控制器MSP430，采用放电法进行电池组之间的均衡电路控制，从而实现电池组之间的能量均衡，且采用数字滤波算法，提高能量均衡的稳定性，对电池组单体信息由LCD12864液晶实时显示，并上传到上位机进行远程监测。

1 系统硬件电路设计

系统主要以MSP430F1101为控制核心，外围电路主要有LTC6804能量检测模块、能量均衡控制模块、LCD12864液晶显示模块及远程通讯实现上位机显示模块等。系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图Fig.1 System block diagram

1.1 控制中心选择

方案一是采用常用的51系列单片机，具有8位指令操作，运算能力强，电源供电5 V[5]。方案二是采用TI公司生产的MSP430F1101单片机，它是一种16位超过控低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器，其运行速度快、电源电压低（1.8～3.3 V）、片内资源丰富、且内嵌12位AD转换模块，且具有廉价的USB仿真器[6]。为了降低系统整体功耗，缩小系统体积，本次设计采用方案二。

1.2 电源电路设计

单片机工作需要稳定的电压信号，因此必须提供电源电路。电源电路设计如图2所示，电源供电15 V，通过78L05芯片及LM1117-3.3 V芯片[7]将电源电压依次转换成LTC6804所需要的5 V和控制器、显示屏及通讯模块所需要的3.3 V，其中电容C1～C6的主要作用是滤波、减少干扰和震荡。

图2 电源电路设计Fig.2 Power circuit design

1.3 电压采集电路设计

在本设计中，各个单体锂电池串联形成一个锂电池组，串联期间每节单体锂电池会产生共模电压，故需要检测锂电池组的单体电压，减小共模电压影响[8]。本设计采用专用的电池组模拟前端芯片LTC6804。LTC6804芯片内部自带ADC转换器，且具有特殊的集成电路设计，可对多节串联的单体锂电池进行电压的采集，也可在内部设置对电压采集的速度和精度，LTC6804芯片的最大测量误差可以减小到1.2 mV，LTC6804芯片可以提供5个进行模拟量采集的I/O端口，此端口可以配置成温度或其他传感器输入也可以配置成IIC接口[9]。其采集电路如图3所示，芯片信号的采集与传输通过处理器进行控制，VCC接入一个5 V的电源，引脚A0～A3接地，LTC6804在工作中直接由所测量的电池进行供能，而其供能由2个引脚DRIVE和VREFG连接至一个5 V的直流电压，作为芯片基准，在电路中接入一个三极管Q3将串联电池的总电压稳压至一个稳定的5 V直流电压输给VREFG引脚，再在电路中通过引脚 VREFG、VREF1、VREF2 接入 3 个 0.1 μF的电容C13、C14和C15，这样可以把干扰脉冲通过电容接地，隔断直流从而消除干扰。 C1、C2、S1、S2引脚同时检测2组锂电池电压，由内部AD转换模块转换成控制器所需的数字电压信号，进入MSP430F1101单片机。

图3 电压采集电路Fig.3 Voltage acquisition circuit

1.4 能量均衡控制电路设计

本设计拟采用放电法实现对锂电池组BT0与BT1能量的均衡，放电结构如图4所示，其中，放电MOS管选用功率型MOSFET，IRF740进行设计，IRF740器件属于第三代的COOL POWER器件，导通电阻小，仅0.48 Ω，负载电流大，最高可达10 A级别，源漏最高支持电压30 V，满足本设计要求。电路中引脚 S1、S2、C1、C2接入对应的 LTC6804检测芯片，引脚BATIN与单片机的对应引脚相连接，电路中放电电路由2个MOS管Q1、Q2与2个放电电阻R1、R2组成，MOS管作为开关器件，打开时系统放电，关断时停止放电，系统判定对电池电压较高的一组进行放电，当其电压下降到与低电压电池一致时，结束放电，实现电池组能量均衡的设计。

图4 能量均衡电路Fig.4 Energy equalization circuit

2 系统软件程序设计

主程序是整个系统程序的主干，包含初始化、信号处理、数据采集子程序、电池组信息检测及电池管理子程序、RS-485通信子程序、均衡控制程序、LCD显示子程序等。其主流程结构如图5所示。首先对系统上电进行初始化；其次，启动定时计数器，如果到达20 ms，读取由LTC6804芯片检测到的电池组电压，由于锂电池作放电过程中，电压信号变化缓慢，为了得到稳定的电压显示效果，本次设计连续采集6次电压，去掉最大值与最小值，取剩余4个电压的值得平均值作为当前工作电压，从而避免由于系统噪声干扰引起的误差，之后将电池组各电压值通过LCD12864液晶实时显示，同时通过RS-485通讯，上传到上位机进行远程监测；最后进行信息的分析与处理，若电池组中电压不一致，那么均衡电路会对电池组中单体的容量进行调节，其调节方式如表1所示。电压高的电池会对电压低的电池进行放电，实现电池组的均衡性，如果两节电池电压达到一致，则结束运行。

由于MSP430F1101具有超低功耗、且多种工作模式[10]，为了降低系统功耗和体积，本次设计选用间歇式工作模式，电池组均衡过程较长，在此过程中，无需长时间显示，当被唤起时显示即可；其次，为了避免专用AD转换芯片引入的功耗，本设计采用内嵌AD模块的LTC6804电池专用检测芯片，进一步降低系统功耗，同时节省了系统空间。

图5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

表1 能量均衡开关控制状态Tab.1 Energy balance switch control state

3 测试结果

根据上述硬件电路设计和软件程序编程调试，搭建硬件平台。对系统进行测试，测试系统功能的完整性。该试验由2节能量不均匀的电池作测试，系统上电后，如图6（a）所示，可以看出，两节单体电池能量不均，开始启动均衡控制电路，如图6（b）所示，单体电池电压高的逐渐给电压低的电池进行放电均衡，LCD12864能够正常显示单节电池电压的数据，说明LTC6804以及LCD12864工作正常；均衡一段时间后，如图6（c）所示，两节单体电池的电压达到稳定，并且两节电池的电压达到基本一致，说明锂电池组的能量均衡控制的过程已经完成。系统是测试过程同时通过上位机进行远程监测，如图7所示。

图6 系统测试Fig.6 System testing

图7 上位机监测Fig.7 Upper computer monitoring

4 结语

本文主要阐述低功耗的锂电池组能量均衡控制的硬件及软件设计过程，介绍锂电池组能量均衡控制电路、锂电池组各单体电压检测、电源设计、液晶显示等硬件的结构、工作原理、软件设计及系统测试结果，实现了对锂电池组的能量的监测和均衡控制功能。测试结果表明，该设计结构简单、功耗低、体积小，对电动汽车锂电组能量均衡控制具有一定的参考意义。