基于DSP的動力鋰電池檢測系統

摘 要： 設計了一種基于TMS320C2812DSP的動力鋰電池組檢測系統，實現對鋰電池組的單體電壓、電流和溫度的檢測及顯示。對電壓、電流和溫度的采集電路進行了具體的設計并進行詳細的介紹。運算放大器采用ADI公司的AD708JNZ，電流互感器采用LEM公司的LA55?P/SP50。最后給出了檢測系統的實驗結果并進行分析。結果表明，該系統具有精度高、硬件電路簡單、處理速度較快等特點，可以運用在電動車及混合動力系統的鋰電池儲能系統中。

關鍵詞： 鋰電池； 電池檢測； DSP； 電壓/電流/溫度采集電路

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0144?05

0 引 言

環境污染、能源危機已經成為制約世界發展的重要因素。鋰電池憑借其高能量比、高放電率的優點，被認為是最有發展潛力的動力電池。電池檢測系統是動力系統中非常關鍵部件，是電池和整個動力系統的聯接紐帶。為了使電池組穩定、高效、安全工作在最佳狀態，消除鋰電池的安全隱患問題，電池檢測系統至關重要[1?3]。本文提供的電池管理系統主要是通過實時監測電池參數，包括電壓、電流、溫度等，判斷出電池的狀態，并根據此時狀態給出電池的使用策略，對電池進行優化的使用，既防止出現濫用，保障其安全有效地使用；又能最大限度地發揮電池的性能，提高能源利用效率。

1 系統硬件設計

本設計針對二并四串8塊力神15AH3.2V磷酸鐵鋰電池組進行設計。主控制器采用TI公司的TMS320C2812DSP。2812DSP是目前性價比最高的DSP芯片之一，廣泛運用在處理速度和處理精度要求較高的領域。本設計使用TMS320C2812DSP的集成的的A/D轉換對電池組的單體電壓、電流和溫度進行數據采集。所有采集到的與電池有關的數據與信息都要通過DSP芯片的A/D端口進入其內部，然后進行數據的計算與分析，其結果通過液晶顯示屏進行顯示。系統硬件框圖如圖1所示。

1.1 單體電壓采集電路

該電路實現的是對單個電池端電壓的采樣，因為整個電池組的電壓較高，但每個電池的電壓不高，根據查閱資料可知，力神15AH3.2V磷酸鐵鋰電池保護電壓下限為2 V，保護上限為3.8 V，采集電路的測量范圍為0～5 V，而TMS320C2812的A/D端口輸入的電壓范圍為0～3 V，所以設計出如圖2所示的差分比例分壓電路進行降壓。分壓電路采用運放和電阻組合的差分放大電路，可以減小共模噪聲的干擾。電路中的運算放大器的型號為LM358，其內部包括有兩個高增益的，獨立的雙運算放大器。

圖2 電壓采集電路

設輸入為U1，輸出為U2，有：

[U1=R3R1+R3U+] （1）

[U--U1R2=U1-U2R4] （2）

根據式（1）、式（2）可得：

[U2=R3R1（U+-U-）] （3）

式中：[R1=R2=27 kΩ]；[R3=R4=36 kΩ]。此時電路最大可產生4∶3的分壓（[R3R1]的值），后一個放大器連成電壓跟隨器起隔離作用。于是[UOUT]的電壓范圍為0～3.75 V，但輸入到TMS320C2812的A/D端口的電壓不能超過3 V也不能低于0 V，所以圖中在輸出端加了一個IN4727的穩壓二級管，IN4727的反向擊穿電壓為3 V，當[UOUT]高于3 V時，穩壓

管反向擊穿，將[UOUT]拉到3 V，當[UOUT]低于0 V時穩壓管正向導通，用來保護DSP的A/D端口。

1.2 電流采集電路

由于本設計針對兩并四串的鋰電池組，其最大工作電流為40 A，且充電電流與放電電流方向相反，則測量電流范圍為0～±50 A。本設計選擇LEM公司的LA55?P/SP50型號的霍爾電流電流傳感器，該傳感器具有出色的精度、良好的線性度、寬頻帶及低溫票等特點，性能指標如下：測量范圍為0～±70 A；供電電壓為-15～+15 V；精度0.5%，轉換率為1：1 000，則從電流傳感器副邊的輸出電流[4]為0～±50 mA。圖3為LA55?P/SP50的連接圖，其中[RM]為采樣電阻，選用采樣性能好的精度高、電阻溫漂應不大于20 ppm/℃的金屬膜電阻。

綜合考慮采樣電阻所在電路的頻率，電壓及電流范圍，本電路采用阻值為22 Ω，額定功率為2 W的采樣電阻。電流采樣電路如圖4所示，電路中選用運算放大器的為ADI公司的AD708。此運放具有極高的直流精度，最大失調電壓為30 μV ，最大失調電壓漂移[5]為0.3 μV/℃。圖4中：

[U1=IRM] （4）

式中：[U1]的范圍為0～±1.1 V為雙極性信號，則運放必須使用雙電源模式：

[U1R2=U2-U1R3] （5）

則：

[U2=（1+R3R2）U1] （6）

±3.3 V雙極性信號。前面已經提過，DSP的A/D端口的輸入電壓只能為正的0～3 V，要使霍爾電流傳感器的輸出電量轉換到0～3 V。本電路在經過比例放大后，經過3.3 V的電平抬升電路及平均處理使得電壓跟隨器的輸入為0～3.3 V單極性信號，其中[R4]和[R5]的阻值只要相同就可以，在這里選阻值為10 kΩ的電阻，即安全又符合要求。后接同電壓采集電路作用相同的電壓跟隨器和IN4727穩壓二極管。為了是環路的響應更加平滑，在[R3]兩端并上一個100 pF電容[6]。計算如下：

[U2-U3R4=U3-3.3R5] （7）

[U3=U2+3.32] （8）

此時的輸出電壓[UOUT]為0～3.3 V單極性信號。根據電路及電路中的參數可以得出被測電流入[IN=1 000（2UOUT-3.3）66]。其中[UOUT]為TMS320C2812的A/D端口的轉換電壓，帶入[UOUT]的值可以計算出IN值。若[IN]的值為負，則說明此時電池正處在充電的工作狀態；若[IN]的值為正，則說明電池此時正處在放電狀態，電流的大小為[IN]絕對值的大小。

1.3 溫度采集電路

在充放電過程中，溫度控制也是許多設計者對鋰電池保護時需要考慮的因素。在高溫的時候對電池進行充電和放電，很有可能會導致電池中所包含的活性物質和電解液產生化學反應，產生非常多的熱能，由于電解質含有可以燃燒的有機溶劑，這會導致電池的溫度出現失控式地上升，致使電池燃燒，很有可能爆炸。在低溫的時候充放電，會對電芯造成損害，最終導致電池損傷。所以準確的測溫是十分必要的。這個型號鋰電池，充電工作溫度-10～45 ℃，放電工作溫度-20～60 ℃。本設計采集的溫度范圍為-20～70 ℃，精度要求為1 ℃。

在此選用精度為1%的TTF103JT?075 10 kΩ熱敏電阻 ，在-20～70 ℃ 電阻變化范圍為0～70 Ω。TTF103絕緣薄膜封裝，熱感應速度快，靈敏度高，形狀扁平，厚度只有0.25 mm，能夠很好地貼在鋰電池單體表面上。溫度采集采用恒流源采溫電路，如圖5所示。

采用 TL431 和5 kΩ精準電位器 VR1 調節產生 4.096 V的基準電壓，通過運放U3A將基準電壓 4.096 V 轉換為恒流源，電流流過TTF103（[R3]） 時在其上產生壓降，再通過運放 U4B 將該微弱壓降信號放大，即輸出期望的電壓信號，該信號可直接連TMS320C2812的A/D端口。根據虛地 “工作于線性范圍內的理想運放的兩個輸入端同電位”，運放U3A的“+”端和“-”端電位[U+=U-=4.096]；假設運放U3A的輸出腳對地電壓為[UO]：

[0-U-R2=U--UOR3] （9）

因此TTF103 上的壓降：

[U=U--UO=U-R2R3] （10）

因[U-]和[R2]均不變，因此圖 5 虛線框內的電路等效為一個恒流源流過一個TTF10熱敏電阻，電流大小為[U-R2]，TTF103上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關。將TTF103的分度表存在TMS320C2812中。采集到TTF103的電壓后便獲得[R3]的阻值，通過查表的方法得到當前的所測量的溫度。

TTF103的電壓降U變化范圍為0～14.336 V，U3B接成差分比例分壓電路。圖中[R7=R6=50 kΩ]，[R4=R5=100 kΩ]，同電壓采集電路，此電路放大倍數為[R7R6=0.5]，[UOUT]的變化范圍為0～2.867 2 V。在TTF103兩端分別接一個電壓跟隨器，提高差分放大電路的輸入阻抗，防止電壓跟隨器分流造成誤差。U4B后接一個RC濾波濾除紋波和IN4727保護TMS320C2812的A/D端口。電路中選用運算放大器的為ADI公司的AD708JNZ。

1.4 顯示模塊

顯示模塊選用液晶顯示屏QC12864B。QC12864B漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置8 192個中文漢字、128個字符及64×256點陣顯示RAM（GDRAM）。中文液晶顯示模塊的屏幕由128×64點構成 ，可顯示4行、每行8個漢字。其字型ROM內含8 192個16×16點的中文字型和128個16×8點的半寬字母符號字型。

2 軟件設計

基于單片機技術的電池檢測軟件程序主要包含五個主要模塊：系統初始化模塊（主要完成系統各種變量的初始定義和設置）；數據處理程序模塊 （主要完成各項數據的采集、處理 A/D 數據，電池剩余容量估算處理等功能）；人機接口程序模塊（主要負責接收外部輸入命令，并對相應的輸入命令進行解釋處理，同時完成各種輸出信息的顯示）；故障檢測與診斷程序模塊（主要完成各運行參數的數據分析和對比，以發現可能存在的故障）。

系統復位后，首先執行單片機初始化子程序，檢測鋰離子蓄電池的溫度、電壓、電流等信息是否正常。正常則進入下一步，否則報警顯示并啟動保護裝置。具體軟件流程如圖6所示。

3 實驗結果及分析

本次實驗選用兩并四串8塊力神15AH磷酸鐵鋰電池。電壓每秒鐘采集10次，每塊電池采集1 000點。為了提高采集數據的穩定性，軟件采取平均值濾波的方法，有效地消除干擾。8塊電池的采集電壓如圖7所示，圖中黑線為示波器測量的單體電池電壓（都在26 ℃的室溫采下集）。由圖可見，電池的絕大部分電壓的變化范圍基本上在±10 mV內變化；也有很少一部分誤差大于10 mV。造成這部分的誤差的原因可能有電路干擾及電路電阻的精度誤差引起的，但誤差基本上小于1%滿足工程需要。從總的來看，總的測量誤差較小，電壓測量的結果穩定，波動小。

本系統測量的電流值與表1所示，將其與安捷倫34401A六位半萬用表測量的電流值進行比較，兩者的誤差小于1%。溫度測試由愛斯佩克EL（U）04KA（W）高低溫濕熱試驗箱設置-20～70 ℃恒溫環境，采得數據如表2所示。由表可見溫度測量誤差小于1 ℃，滿足工程要求。

4 結論與展望

本文提供了基于TMS320C2812DSP的鋰電池檢測系統并分別對電壓檢測電路，電流檢測電路和溫度采集電路進行了具體的設計。本系統可以對鋰電池的的電壓、電流和溫度進行實時檢測，能可靠地進行過充電、過放電的保護，確保電池組的安全。本系統電路簡單、精度高、可靠性高、成本低滿足工程需要。但本系統在抗干擾方面仍有可提升空間。在此檢測系統的基礎上可以進一步增加單體電壓均衡、SOC估算和SOH估算等功能，組成完整的電池管理系統（BMS）。

參考文獻

[1] 賈恒義，靳增會.基于單片機技術電池檢測系統的設計[J].電源技術，2011，135（6）：727?729.

[2] 廖曉軍，何莉萍，鐘志華，等.電池管理系統國內外現狀及其未來發展趨勢[J].汽車工程，2006，28（1）：961?964.

[3] 孟良榮，王金良.電動車電池現狀與發展趨勢[J].電池工業，2006，11（3）：202?206.

[4] LEM Electronics Co. LA55?P [EB/OL]. [2013?09?08]. http：//www.lem.com/docs/products/la%2055?p%20e.

[5] Analog Device Inc. AD708： ultralow offset voltage dual op amp data sheet （Rev C， 02/2006） [EB/OL]. [2013?09?08]. http：//www.analog.com/static/imported?files/data_sheets/AD708.

[6] Analog Device Inc. AN?573 [EB/OL]. [2013?09?08]. http：//www.analog.com/static/imported?files/zh/application_notes/AN?573_cn.

[7] 鄧木生，陳新喜，李華柏.基于PWM技術蓄電池充放電與檢測系統設計[J].現代電子技術，2011，34（14）：207?210.

[8] 謝卓，趙朋斌.一種鋰電池電量監測電路設計方法[J].現代電子技術，2012，35（1）：192?194.