一種新型電動自行車電池管理系統(tǒng)

顧靖達(dá)　謝凱兵　張運(yùn)

摘 要：電動自行車是一種新興的代步工具。近年隨著電池、電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已有很大的改善，但是還是存在一些缺陷，如：啟動與控制不同步，過度充放電造成電池使用壽命縮短等等。針對這些缺陷，我們設(shè)計了一種新型的電動自行車電池動力系統(tǒng)。在我們的設(shè)計中，此系統(tǒng)用一個微處理器對系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，提高了微處理器的利用效率；而且此系統(tǒng)體積比現(xiàn)有的電動自行車動力系統(tǒng)小得多，符合鋰電池體積小，質(zhì)量輕的特點(diǎn)，有利于鋰電池電動自行車的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電動自行車 電池管理 應(yīng)用

中圖分類號：TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（a）-0182-01

針對電動自行車在電池使用方面的缺陷，我們的系統(tǒng)可以對其進(jìn)行有效的改進(jìn)：實時監(jiān)測電池（以鋰電池為例）信息，在需要充電時分析電池狀態(tài)，決定是否充電；充電過程中采集電池的電壓，電流及溫度信號；在電池充滿電后，進(jìn)行涓流充電，保養(yǎng)電池；在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還可以分析電機(jī)的狀態(tài)，決定是否啟動，實現(xiàn)電動自行車動力系統(tǒng)的一體化工作。

在我們的設(shè)計中，動力系統(tǒng)主要包括以飛思卡爾MC9S08AW60微處理器為核心的主控制電路，實現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的控制，并保護(hù)電機(jī)、蓄電池不受損害；以IR2103芯片為驅(qū)動器的驅(qū)動電路、功率逆變器電路，利用芯片的自舉性能，驅(qū)動功率MOSFET管控制電機(jī)電流；以MAX14920/MAX14921芯片為終端的電池信息采集電路，完成電壓電流溫度信號的采樣；還有一些保護(hù)電路等輔助電路。動力系統(tǒng)的主要硬件框圖如圖1所示。

電池信息檢測電路把檢測到的鋰電池的信息反饋給主控電路，主控電路處理后做出相應(yīng)的指示是否進(jìn)行充電或者是否繼續(xù)充電；同時輔助電路將手把等信號輸入主控電路，主控電路判斷后決定是否啟動電機(jī)；在此過程中，保護(hù)電路一直起作用。

功率驅(qū)動采用IR2103芯片，IR2103是一種高功率高速的功率MOSFET驅(qū)動器，內(nèi)含自舉電路；一個芯片可以驅(qū)動兩個MOSFET，邏輯輸入與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS或LSTTL輸出兼容，最低3.3 V邏輯觸發(fā)，有兩個獨(dú)立的高端和低端輸出通道，分別與三相電機(jī)U、V、W相連接，實現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動。

MAX14920/MAX14921是準(zhǔn)確采集電池信息的終端芯片，可以對電池單體電壓進(jìn)行采樣，MAX14920可以一次檢測12個單體電池，檢測其電壓電流及溫度，MAX14921則可以檢測16個單體電池。在我們的設(shè)計中采用的是13個單體鋰電池串聯(lián)，故采用MAX14921芯片。此芯片具有一些關(guān)鍵特性：高精確度 、電池電壓采樣、自校準(zhǔn)、綜合診斷、明線和短路故障檢測、欠壓/過壓警告、熱關(guān)斷、高靈活性、低功耗等。這些特性是的此芯片適合測量各種常見鋰電池的單體電池信息。

在電池信息檢測電路中，我們選擇在鋰電池不同位置進(jìn)行鋰電池溫度檢測，與單片機(jī)進(jìn)行連接以控制兩芯片之間的通信，最后輸出電池電壓和溫度信息。當(dāng)單片機(jī)指令采集單體電池電壓時，采樣電容接到單體電池兩端，然后斷開采樣電容與單體電池連接，將采集到的電壓通過電池信息輸出端口，輸出到微處理器，由主控電路進(jìn)行信息處理。

針對系統(tǒng)的硬件設(shè)備，我們設(shè)計了相應(yīng)的軟件程序進(jìn)行調(diào)試。主程序主要完成各模塊初始化定義、電池信息的處理、防飛車保護(hù)。每次系統(tǒng)上電，首先要進(jìn)行防飛車保護(hù)檢測，即檢測手把電壓是否為零，若為零則繼續(xù)操作，否則保持等待循環(huán)。打開總中斷后，程序進(jìn)入主程序循環(huán)，根據(jù)采集得來的電流、速度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算。

電動車的發(fā)展對中國的能源和環(huán)境有重大的意義。我們設(shè)計的電動自行車電池管理系統(tǒng)對電池的使用狀況進(jìn)行實時檢測，對延長電池的使用壽命有一定的作用，同時它將電動自行車的電機(jī)與充電器等硬件設(shè)備集成在一起，實現(xiàn)一體化工作，簡單易控。

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