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鋰離子動力電池組的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

發(fā)布時間:2017-08-23 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】為了實現(xiàn)鋰離子動力電池參數(shù)的監(jiān)測,首選需要設(shè)計參數(shù)采集模塊,將鋰離子動力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)采集出來,同時上傳到帶有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的單片機中,對這些數(shù)據(jù)進行記錄和顯示。
 
一.引言
 
蓄電池是一種以放電方式輸出電能,以充電方式吸收、恢復(fù)電能的電源。由鋰離子動力電池構(gòu)成的低壓電源,是水下機器人系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。對鋰離子電池的維護管理不當(dāng)將直接影響鋰離子電池的使用效益和壽命,甚至直接損壞鋰電池,從而影響水下機器人整體性能,嚴重情況下還會導(dǎo)致機器人的安全事故。通過在線測量鋰離子動力電池組的參數(shù),可以及時了解鋰離子電池的工作狀態(tài)、工作特性及鋰離子電池需要維護情況,因而鋰離子動力電池的在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制勢在必行。
 
為了實現(xiàn)鋰離子動力電池參數(shù)的監(jiān)測,首選需要設(shè)計參數(shù)采集模塊,將鋰離子動力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)采集出來,同時上傳到帶有A/D 轉(zhuǎn)換模塊的單片機中,對這些數(shù)據(jù)進行記錄和顯示。
 
二.鋰離子動力電池組的監(jiān)測系統(tǒng)概述
 
本系統(tǒng)采用分散數(shù)據(jù)采集和集中數(shù)據(jù)處理,分別設(shè)計電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路,然后把數(shù)據(jù)都輸送到單片機進行集中處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。
 
圖2-1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
 
本系統(tǒng)監(jiān)測的對象是國家863 項目水下機器人系統(tǒng)的鋰離子動力電池組,用的是深圳雷天科技生產(chǎn)的TS-LFP160AHA 型號的鋰離子動力電池,電池組由8 塊單體電池組成。需要監(jiān)測每塊單體電池的端電壓,并做出過壓、欠壓判斷;需要多點測溫度,監(jiān)測每塊電池的溫度以及電池組所處環(huán)境的溫度、濕度;由于8 塊單體電池串聯(lián),所以只需要測出串聯(lián)電流,并做出過流判斷。
 
本文采用了TMS320LF2407A 芯片。采用此芯片作為電池監(jiān)測系統(tǒng)的CPU 還體現(xiàn)在以下幾個方面:
 
1.節(jié)能,節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計的一個熱點問題。當(dāng)設(shè)備由二次電池來作為電源的時候,節(jié)能問題則變得更加突出和重要。本設(shè)計使用的DSP 由3.3V 電源供電,減小了控制器的損耗。芯片電源管理包括低功耗模式,能獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。
 
2.16 通道輸入的A/D 轉(zhuǎn)換器。這一點對于多路采集子電路很有意義??梢灾苯訉⒉杉娐返妮敵鼋拥紻SP 的A/D 轉(zhuǎn)換通道。而不必在DSP 外面再設(shè)A/D 轉(zhuǎn)換電路。
 
3.40 個可單獨編程或復(fù)用的輸入輸出引腳??捎糜诎踩_關(guān)及其它外設(shè)電路的控制。
 
4.串行通信接口(SCI)和16 位串行外設(shè)接口模塊(SPI)可以接監(jiān)測系統(tǒng)的顯示部分。
 
三.系統(tǒng)的硬件設(shè)計
 
系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集電路設(shè)計。采集電路以TMS320LF2407A 為CPU。TMS320LF2407A 是TI 公司專為實時控制而設(shè)計的高性能16 位定點DSP 器件,指令周期為33ns,其內(nèi)部集成了前端采樣A/D 轉(zhuǎn)換器和后端PWM 輸出硬件,在滿足系統(tǒng)實時性要求的同時可簡化硬件電路設(shè)計。
 
3.1 電壓采集電路設(shè)計
 
本設(shè)計以鋰離子動力電池為管理對象。電池組由8 塊3.6V 鋰電池組成。每個電池單體的額定電壓為3.6V 充滿時端電壓為4.25V。要求電壓采集精度控制在1.5%以內(nèi)。電池管理系統(tǒng)要求的最低采樣頻率為20ms。
 
系統(tǒng)采用線性光耦作為隔離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號傳遞采樣器件,這樣就將前端的每一節(jié)電池的電壓隔離出來。將電池的大電壓按一定比例縮小,以便將電池變化的電壓值如實地反映給DSP。其后需經(jīng)過多路開關(guān)進入微處理器進行計算。光耦隔離的優(yōu)點是速度快(光耦的速度是微秒級,遠小于繼電器的毫秒級),實時性要好。另外光耦兩端的信號在電氣連接上完全隔離,不存在任何關(guān)系,所以即使在光耦的輸出端發(fā)生短路也不會給電池的使用造成任何影響。光耦將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號進行采集,解決了共地問題。與電壓傳感器相比,光耦的性價比更高。
 
在選擇器件的時候,我們考慮到經(jīng)濟性和實用性,光電禍合器選擇了日本東芝公司生產(chǎn)的TLP521,運算放大器選擇的雙運算放大器TL082。
 
電池單體的電壓測量電路如下圖3-1 所示。
 
圖3-1.單體電池電壓采集電路
 
VIN 即電池單體電壓,經(jīng)過R1與光耦中的發(fā)光二極管形成回路,將電壓信號(VIN)轉(zhuǎn)換為電流信號( I11)。I11與I21有一定比例關(guān)系I11∝ I21。UU1 在這里作為比較器使用。當(dāng)A點電壓Va大于B 點電壓Vb,UU1 就輸出高一些的電壓值,當(dāng)A 點電壓Va低于B 點電壓Vb,UU1 就輸出低一些的電壓值。在整個電壓采樣電路中,比較器形成一個反饋。使A、B 兩點的電壓值保持一致。這樣做的目的是B 點電壓顯然是15∕2=7.5v, Va= Vb =7.5v,說明上下兩個光耦中的三極管導(dǎo)通情況一樣。這樣,三極管的導(dǎo)通情況是受控于發(fā)光二極管的??芍?dāng)I21= I22時, I11= I22。這樣,VIN∕= I11= I22= Vout∕R4。可見Vout 與VIN 成比例。
 
3.2 電流采集電路設(shè)計
 
鋰離子動力電池組所有電池單體串連組成整個供電系統(tǒng),只設(shè)置一個電流采集點即可。
 
本文采用霍爾電流傳感器采集。
 
霍爾電流傳感器的原理圖如3-2。被測電流In流過導(dǎo)體產(chǎn)生的磁場,由通過霍爾元件輸出信號控制的補償電流Im流過次級線圈產(chǎn)生的磁場補償,當(dāng)原邊與副邊的磁場達到平衡時其補償電流Im即可精確反映原邊電流In值。
 
圖3-2 霍爾電流傳感器原理圖
 
本系統(tǒng)選用的是宇森CBH100SF 型號的閉環(huán)霍爾電流傳感器。測量頻率是0-100KHz,額定電流100A,測量范圍:0-±150A,匝數(shù)比1:1000,精度0.2%-1%,相應(yīng)時間:《lus。結(jié)構(gòu)如圖3-3 所示:
 
圖3-3 CHB100 外型和連接圖
 
其中采樣電阻Rm 采用精密電阻取樣,推薦選用低溫漂(不大于2ppm)高精度的金屬膜電阻;因為寄生電感較大的原因,在高頻采樣場合,應(yīng)避免采用精密線繞電阻。取樣電阻&TImes;副邊輸出電流額定值應(yīng)小于電源電壓,差值大于4V。采樣電阻的功率必須足夠,Rm=30Ω。
 
3.3 溫度采集電路設(shè)計
 
在電池剩余電量的計算中,電池的工作溫度是一個重要的影響因素。除此之外,在判斷電池安全和熱處理方面也需要實時采集溫度參數(shù)。本設(shè)計中,既設(shè)計了8 節(jié)單體電池的溫度信號采集,也設(shè)計了對于環(huán)境溫度的實時采集。
 
本系統(tǒng)是采用了熱敏電阻進行電池本身的溫度檢測。與電橋電路結(jié)合,將溫度信號反映為電壓信號。電路如圖3-4。
 
圖3-4 單體電池溫度采樣電路
 
其中RMDZ1 是熱敏電阻,使用它主要是考慮到性價比高,而且它的體積小連接線長,可直接貼在電池單體的外殼上。缺點就是線性度不好。電池溫度的檢測主要是對上下兩個界限溫度的報替,和計算電池間的溫差,找出異常電池。不牽扯函數(shù)與復(fù)雜計算的問題,對線型度要求不高,所以使用熱敏電阻可以滿足需求。
 
環(huán)境溫度的測量選用一種新穎的溫度傳感器LM35,其特點是輸出電壓與環(huán)境攝氏溫度成正比,集成電路內(nèi)部己經(jīng)校正,無需外部校正。靈敏度為10.0mV/℃,精度可達0.5℃,工作電壓范圍4V-30V,耗電極少,輸出阻抗低。自此使用LM35 滿量程[55℃,150℃]連接方法。為了防止零下溫度時,輸出負壓,不便于采樣到DSP 中,設(shè)計了一個減法器電路。調(diào)整為環(huán)境溫度在[-45℃,75℃]范圍內(nèi),輸出電壓是[0,4.5V]。
 
四.系統(tǒng)的軟件設(shè)計
 
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用DSP(TMS320LF2407A)C 語言編程,實行模塊化設(shè)計,增加了程序的可讀性和移植性。本設(shè)計主要以水下機器人使用的鋰離子動力電池為研究對象而設(shè)計,同時力求能夠有更好的兼容性,即換作其它電池不需要改動硬件,只需改動軟件,甚至盡可能小地改動軟件即可使用。對于本系統(tǒng)而言,控制軟件應(yīng)滿足如下要求:
 
采集電流、電壓、溫度等信號,判斷電池的故障信號,進行處理并采取相應(yīng)的保護措施,顯示故障信息。
 
模擬數(shù)據(jù)的采集包括電池單體電壓、電流、電池單體溫度、環(huán)境溫度。其中電壓采集是需要由控制模擬多路開關(guān)來完成,各個單體電池電壓值分時進入DSP,要求采集同一時刻的電壓與電流。充分利用TMS320F2407A/D 模塊,一次采集四個量:電壓、電流、電池溫度、環(huán)境溫度,利用循環(huán)完成對電池組中多個電池的模擬量采樣。
 
五.總結(jié)
 
本文針對鋰離子動力電池組的特性和測試要求,設(shè)計了基于TMS320LF2407A 的監(jiān)測系統(tǒng),提出了分散數(shù)據(jù)采集與集中數(shù)據(jù)處理的方案,給出了電池監(jiān)測系統(tǒng)電壓、電流、溫度采集的軟硬件方案,搭建了單體電池數(shù)目可達8 節(jié)的電池監(jiān)測系統(tǒng)底層采集模塊框架。
 
在此基礎(chǔ)上可以方便地將電池信息采集到DSP 中進行記錄和電池狀態(tài)的估測判斷,并通過CAN 網(wǎng)絡(luò)與中心控制器通信,形成完整的電池監(jiān)控系統(tǒng)。
 
本課題的主要研究內(nèi)容在于電池監(jiān)測系統(tǒng)整體方案的設(shè)計和硬件電路的設(shè)計。其核心是分散數(shù)據(jù)采集與集中數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方案。分別采集單體電池的電壓、電路、溫度,將這些基本信息送到DSP 中進行集中的、綜合的分析、處理。硬件設(shè)計的重點是幾個采集電路的設(shè)計以及DSP 小系統(tǒng)在監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。電壓采集電路在保證性能的基礎(chǔ)上,具有靈活性和明顯的價格優(yōu)勢。通道間的干擾和采集速度都得到改善??蓾M足系統(tǒng)的實時性和測量精度的要求。通過增加外設(shè)采樣保持,可以采集到同一時刻的電壓和電流。電池管理系統(tǒng)的電流、溫度采集,分別采用了霍爾大電流傳感器、熱敏電阻、霍爾溫度進行測量。
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