一種基于分布式電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計

賈利浦 鄭帥 孫春峰

摘要：本文針對業(yè)界需求提出了一種分布式電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計方案，詳細介紹了單體電池采集板的設(shè)計。單體電池控制板采用低功耗的MPS430FR2100單片機作為主控單元，設(shè)計了電壓測量模塊、溫度采集模塊、電流采集模塊、電池均衡模塊、通信模塊以及狀態(tài)顯示模塊。測試實驗表明，本系統(tǒng)電路就地直接測量電池電壓，測量更加準確。同時，因為測量設(shè)備是被測電池的從屬設(shè)備，測量過程也可以不受常規(guī)噪聲的干擾。

關(guān)鍵詞：電池管理；分布式；低功耗；MSP430FR2100

對于動力鋰電池組的管理，傳統(tǒng)設(shè)計方案一般采用集中式管理。首先，采集單元對電池組中每塊電池的單體電壓、溫度、充放電電流等參數(shù)進行采集，然后利用中央處理單元對電池參數(shù)進行分析計算，以此確定電池組的剩余電量，并記錄數(shù)據(jù)以備分析。這種管理系統(tǒng)存在較為明顯的缺陷：首先，使用單一的控制單元對幾十、數(shù)百的單體電池進行參數(shù)采集、計算、通信、顯示，系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜，穩(wěn)定性較差，當其中某組電池出現(xiàn)故障會影響整個系統(tǒng)工作；其次，電傳動車輛空間緊湊，動力電池呈分布式布置，控制單元往往與電池有較長距離，這樣信號從電池到微控制器間的傳輸非常容易受到電動汽車內(nèi)部功率器件、高壓和大電流動力線工作時產(chǎn)生的電磁干擾的影響，導(dǎo)致測量精度下降，從而在計算電池參數(shù)時不一定能真實反映電池的實際工作狀態(tài)，最后引起電池剩余電量計算的不準確甚至錯誤；且集中式管理的可擴展性和可移植性差，對于不同的電池組結(jié)構(gòu)、不同數(shù)量的電池，都需要重新進行系統(tǒng)設(shè)計，嚴重影響了電池管理系統(tǒng)的通用性。

本文為分布式電池管理系統(tǒng)提供了可行的電路方案。分布式電池管理系統(tǒng)中，核心問題為單體電池的電路控制，本文對其經(jīng)行了詳細的介紹。

1 單體電池電路

1.1 主控制器選型

MSP430FR2100微處理器是單體電池電路板的核心。它負責測量電池的電壓和溫度，驅(qū)動均衡負載，還負責與中央處理器進行通信。微處理器工作電范圍寬1.8V3.6V；功耗低，待機電流不超過1uA。另外，此微處理器功能強大，配備了8路10位AD轉(zhuǎn)換器、1.5V內(nèi)部基準電壓、片上振蕩器、一個UART通信口。

1.2 電源電路設(shè)計

電源電路設(shè)計了熔斷器，具有過流保護作用，設(shè)計了TVS管，具有過壓保護作用。同時設(shè)計了LC濾波器，可以濾除掉電池上產(chǎn)生的一些高頻電壓噪聲信號。調(diào)壓器采用一個固定電壓為2V的TLV713。

TLV713芯片特點：

（1）輸入電壓范圍：1.4V 至 5.5V；

（2）極低壓降：150mA 時為230mV；

（3）使用或不使用電容時均可穩(wěn)定運行；

（4）低IQ：50μA；

（5）折返過流保護；

（6）封裝小：1mm × 1mm 4引腳X2SON。

1.3 電壓采集和溫度采集電路

由兩個精準電阻器構(gòu)成的電壓分壓器將電池電壓降低至低于基準電壓，如圖1。MSP430FR2100內(nèi)部基準電壓為1.5V，電阻分壓后是電池電壓的1/4，大約為0.5V1.1V。兩個電阻阻值必須非常大，從而保證不會產(chǎn)生旁路電流。

LPV802是超低功耗運算放大器，適用于由電池供電的低功耗設(shè)備中的感測應(yīng)用。LPV802 放大器的帶寬為8kHz，靜態(tài)電流為320nA，可最大限度降低運行電池壽命至關(guān)重要的設(shè)備消耗的功率。除超低功耗特性外，LPV802 放大器還具有實現(xiàn)毫微微安偏置電流的CMOS 輸入級。LPV802 放大器還特有一個負軌感測輸入級和一個相對于電源軌的擺幅為毫伏級的軌到軌輸出級，從而盡可能保持最寬的動態(tài)范圍LPV802 設(shè)有電磁干擾（EMI） 保護，可降低來自手機、WiFi、無線電發(fā)射器和標簽閱讀器的無用射頻信號對系統(tǒng)造成的影響。

電池管理系統(tǒng)對溫度的采集精度要求并不高，更多的是考慮溫升所帶來的安全性問題。因此考慮到單體電池電路的成本，溫度傳感器采用價格低廉的熱敏電阻作為溫度傳感器。通過電阻分壓的方式來獲取熱敏電阻的阻值。為了控制輸入電壓在微處理器AD參考電壓（MSP430FR2100內(nèi)部參考電壓為1.5V）范圍內(nèi)，熱敏電阻并聯(lián)電阻后在進行分壓。VT的計算公式為

其中為電源電壓2V。由式（2）可以看出RT越大，越大。

1.4 均衡負載及狀態(tài)顯示

本系統(tǒng)設(shè)計中采用更加經(jīng)濟實用的被動均衡方式，使用大功率電阻作為被動負載，應(yīng)用MOSFET對電池進行均衡控制。通過LED實現(xiàn)對單體電池電路板均衡狀態(tài)及其他活動狀態(tài)進行視覺反饋。如圖2。

1.5 單體電池采集板與中央處理單元的通信

圖3所示電路通過兩個光電隔離器實現(xiàn)單體電池電路板和總線的隔離。其中一個光電隔離器用于前級單體電池電路板與微處理器UART的RX輸入之間，接收中央處理單元發(fā)出的數(shù)據(jù)；另一個則應(yīng)用于微處理器UART的RX輸出與后級單體電池電路板之間，用于向主控制器傳送數(shù)據(jù)。

2 電流采集模塊設(shè)計

在電池管理系統(tǒng)中，不必每個單體電池都采集電流數(shù)據(jù)，只需要每個串聯(lián)支路安裝一個電流采集器，這就大大節(jié)省了系統(tǒng)成本。在本系統(tǒng)中電流采集采用萊姆公司的HC2F80S電流互感器，最大電流達80A，并且以模擬電壓量進行輸出。HC2F80S供電電壓為5V，為此設(shè)計了升壓泵TPS61222為其供電。HC2F80S輸出濾波后，進行分壓供MSP430FR2100的AD采集電流數(shù)據(jù)。電路圖如圖9所示。

3 結(jié)論

本文提出的分布式電池管理系統(tǒng)的電路設(shè)計方案，更多的考慮了硬件成本。單體電池采集電路的主要器件在選型上都在滿足功能需求的前提下，最大程度的節(jié)省單體電池采集電路的成本。同時也比較注重器件的功耗，旨在減小電池管理系統(tǒng)本身的功耗。實驗表明，本系統(tǒng)電路測量電池電壓準確同時，抗干擾能力強，更換電池方便，實用性強，為市場提供了一種可行的分布式電池管理系統(tǒng)實施方案。

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