基于MAX11068芯片的鋰離子電池管理系統的設計

王保柱，王 倩，陳書旺，安勝彪

(河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018)

近年來，節能和環保問題變的日益突出，鋰離子電池由于其具有能量密度高、自放電率小、無記憶效應等優點迅速成為市場的主流產品，它的工作電壓每節高達3.2～4.2 V[1]。如果充電后使得單體電池的電壓超過一定值就會使電池內的電解質被分解，嚴重時引起爆炸，所以其操作的安全性和可靠性需要有效控制。對電池管理系統的管理是有效措施之一，該電池管理系統的職能就是實時監測電池組的電壓、電流、溫度等，防止過充過放現象的發生，保證電池組自身的安全性[2-4]。

1 系統基本功能介紹

MAX11068芯片和單片機之間通過I2C通信，MAX11068將采集到的數據存儲在內部寄存器里面[5]。單片機通過總線訪問相應的寄存器讀取數據，然后對相應的數據作進一步處理。系統最大能夠同時檢測12節串聯電池組的電壓，對于少于12節電池的電池組，經過簡單處理也可以采用系統介紹的方法來保護電池組。系統能夠實現的功能包括：過充保護、過放保護、溫度保護、電池的均衡功能[6]。可以通過串口芯片將采集到的數據發送到上位機，通過上位機軟件實時查看電池的電壓狀態，方便管理和維護。

2 系統硬件設計

系統的電路示意圖如圖1所示，MAX11068是電壓采集模塊,系統的MCU起到管理和控制整個系統的關鍵作用。NTC是負溫度系數傳感器，CHARGE為充電口，DISCHARGE為放電口。由單片機的I/O接口間接驅動，放電口和充電口是相互獨立、分開的。系統按模塊可以分為電壓采集和均衡模塊，溫度采集模塊，電流采集模塊及MCU。

圖1 系統示意圖Fig.1 System diagram

2.1 電壓采集和均衡模塊

實現精準的單體電壓測量是整個電池管理系統的核心，為均衡功能的實現提供良好的基礎。電壓采集模塊以MAX11068為核心，配以外圍器件[7]。由于芯片可以采用級聯的方式對電池進行檢測，所以在沒有級聯的情況下對一些引腳做一些特殊處理,電壓的采集模塊電路圖如圖2所示。

圖2 電壓采集的模塊和均衡模塊Fig.2 Voltage acquisition module and equalization module

1)電壓采集原理 MAX11068模擬前端由12路電壓測量數據采集系統組成，帶有高壓開關輸入單元。在低于107 μs的時間內可以完成12節電池的測量。MAX11068采用二次掃描架構采集電池數據并對它們進行誤差修正。掃描的第1階段為數據采集，對所有12節電池的電壓進行采樣；第2階段為誤差修正，對ADC輸入進行斬波，消除誤差。

2)電池均衡原理 動力鋰離子電池一般由幾串、幾十串甚至幾百串組成。電池在生產過程中，由于工藝問題和材質的不均勻使電池內部結構和材質上的不完全一致，使得每組電池的電壓、內阻、荷電狀態不一致，就會產生這樣或那樣的差異[8-9]。由于個體差異的存在，導致電池充電時容量小的容易過充，放電時容量小的又容易過放，容量變得更小,從而進入惡性循環。因此要求保護電路能夠完成電池單元的均衡操作。均衡的原理是從具有較高電壓的電池抽取多余的電流，消耗多余的電量，實現電池均衡，延長電池組的使用壽命，增加安全性。目前常用的均衡方法有儲能均衡和電阻均衡2種[10]。

電阻均衡一般是通過控制器控制電阻網絡的通斷對電池組進行分流均衡，這種方法可以同時對多節電池進行均衡，控制簡單。系統對熱管理要求較高，需要進行溫度檢測。電阻均衡的原理是在電池組充電的過程中，當某節電池充電速度較快，其電壓高于其他電池，系統通過開關或者繼電器控制均衡電阻的導通分流，降低電池的充電速度，使得各節電池在充電過程中均衡一致。

該系統采用的電阻均衡方法原理圖如圖3所示。

當MAX11068檢測到某一節電池的電壓到達一定值時，芯片開啟內部該節電池的NMOS管，NMOS管開啟以后，該節電池電流經由R1，R3回到電池的負極。R1，R3通過熱耗從而降低電池的電壓，均衡電流為55 mA。

2.2 電流、溫度采集模塊

電流采集模塊采用2個電阻并聯，并聯的電阻串聯在放電回路中。檢測采樣電阻兩端的電壓，經放大器放大后，和基準電壓進行比較，判斷是否過流和短路，電壓放大電路原理圖如圖4所示。

圖3 均衡電路原理圖Fig.3 Equalization circuit

圖4 采集電流信號放大電路Fig.4 Harvesting current and signal amplifying circuit

放大器采用的型號是MCP4041，運算放大器的放大系數為2.7。保護板的過流保護值是80 A，短路保護電流是180 A。過流保護時，采用電阻兩端電壓是0.4 V，經放大器放大后的電壓是1.08 V；短路保護電阻兩端的電壓是0.9 V，經放大器放大后的電壓是2.43 V，比較器的電路原理圖如圖5所示。

圖5 比較器電路Fig.5 Comparison circuit

圖6 溫度檢測電路Fig.6 Temperature detection circuit

經過放大后的信號輸入比較器，這里比較器采用的是TLV3492，比較器供電電壓是3.4 V。若過流電壓大于基準電壓，則在比較器的輸出端輸出高電平，單片機檢測到高電平就采取過流保護措施。若過流電壓大于2.33 V，則比較器的輸出端輸出高電平，單片機檢測到高電平時，就會采取短路保護措施。

在充放電過程中使電池溫度升高，但是過高的溫度會引起電池的惡化、縮短電池的使用壽命，從而容量會慢慢變小。因此要將電池的溫度控制在合適的范圍內。溫度檢測采用MF58105H 負溫度系數傳感器，單片機直接采集熱敏電阻兩端的電壓，到達設定值時，采取溫度保護措施，溫度檢測電路如圖6所示。

2.3 電池組信息的處理與顯示

單片機和檢測芯片是通過I2C協議進行通信[11-13]，I2C總線是PHLIPS公司推出的一種串行總線，包括總線裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線。I2C總線只有2根雙向信號線。一根是數據線SDA，另一根是時鐘線SCL。每個接到I2C總線上的器件都有唯一的地址，主機與其他器件間的數據傳送可以是由主機發送數據到其他器件，這時主機即為發送器，由總線上接收數據的器件則為接收器。

上位機軟件用VB語言編寫[14-16]，對采集到的數據進行處理和顯示，使人們能夠直觀地看到MAX11068采集到的數據，同時能通過上位機軟件方便地處理一些數據。通過上位機也可以給系統發送一些簡單的控制命令，在系統的調試過程中有很好的效果和作用。

3 系統的軟件設計

軟件功能分為初始化部分、數據處理和控制部分，初始化的部分包括單片機應用外圍模塊的初始化，例如系統時鐘初始化，AD采樣端口初始化。數據處理和控制部分通過單片機來完成的各種數據的處理。系統采用順序輪回的方法，根據系統采樣頻率，順序執行每一部分對每個系統的功能進行檢測，處理相應問題。對每一節電池是否過充、是否過放進行判斷有無報警信號的產生。當單片機所采集到的單體電壓值到達均衡電壓點時，開啟均衡寄存器對應的開關，系統流程圖如圖7所示。

圖7 系統流程圖Fig.7 System flow chart

4 實驗結果

實驗時采用的是10節磷酸鐵鋰電池串聯構成電池組，以上述理論為基礎，完成鋰電池管理系統的設計，并進行實驗驗證。

本研究所設計的鋰離子電池管理系統實現了對電池組的電壓、電流、溫度等信息的實時監測(見表1、表2)，單體電壓誤差小于10 mV。該設計系統保持了整個電池組運行的可靠性和高效性，實驗證明該系統的設計是可行的。

表1 單體電池電壓采集Tab.1 Single battery voltage acquisition序號電壓/V014.051024.050034.052044.065054.069序號電壓/V064.067074.070084.064094.067104.055表2 鋰離子電池管理系統參數設置Tab.2 Parameter setting of lithium battery management system參數數值切斷電壓上下限/V4.25～2.50切斷電流上下限/A40～80切斷溫度上下限/℃50～80均衡啟動電壓/V4.1單體電壓壓差告警/mV20

5 結 語

基于MAX11068芯片的鋰離子電池管理系統的設計滿足了鋰離子電池保護的需要，過電壓、過電流和溫度保護的應用以及均衡模塊的實現讓鋰離子電池動力汽車在實際的運行中更加安全可靠。系統測試表明該系統運行良好，具有可靠性高的特點。鋰離子電池均衡算法的優化在一定程度上延長了電池組的使用壽命，但是均衡模塊對單體電池的能量轉移效率還有待提高。

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