基于MSP430的鋰電池組能量均衡控制器設計

張秋艷 ，高平安，李天鵬，李 貝

（1.榆林學院 能源工程學院，榆林 719000；2.榆林市氣象局，榆林 719000）

隨著石油能源緊缺和環境質量要求的日益增長，電動汽車成為當前新秀，而電動汽車的動力系統主要還是鋰電池。但在實際應用中，鋰電池成組后單體電池之間存在過充、過放等許多問題，導致了單體電池之間的不一致現象[1-2]。且動力系統的鋰電池在成組后，各個單體電池的不一致現象嚴重地影響了鋰電池組的性能，嚴重縮短了其使用壽命[3-4]。因此鋰電池組的能量均衡控制是整個電動汽車系統的重要技術，給電池組增加其他的均衡電路和器件以達到電池組的均衡，考慮到系統的空間大小和功耗問題，本文提出了一種基于低功耗控制器MSP430，采用放電法進行電池組之間的均衡電路控制，從而實現電池組之間的能量均衡，且采用數字濾波算法，提高能量均衡的穩定性，對電池組單體信息由LCD12864液晶實時顯示，并上傳到上位機進行遠程監測。

1 系統硬件電路設計

系統主要以MSP430F1101為控制核心，外圍電路主要有LTC6804能量檢測模塊、能量均衡控制模塊、LCD12864液晶顯示模塊及遠程通訊實現上位機顯示模塊等。系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖Fig.1 System block diagram

1.1 控制中心選擇

方案一是采用常用的51系列單片機，具有8位指令操作，運算能力強，電源供電5 V[5]。方案二是采用TI公司生產的MSP430F1101單片機，它是一種16位超過控低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器，其運行速度快、電源電壓低（1.8～3.3 V）、片內資源豐富、且內嵌12位AD轉換模塊，且具有廉價的USB仿真器[6]。為了降低系統整體功耗，縮小系統體積，本次設計采用方案二。

1.2 電源電路設計

單片機工作需要穩定的電壓信號，因此必須提供電源電路。電源電路設計如圖2所示，電源供電15 V，通過78L05芯片及LM1117-3.3 V芯片[7]將電源電壓依次轉換成LTC6804所需要的5 V和控制器、顯示屏及通訊模塊所需要的3.3 V，其中電容C1～C6的主要作用是濾波、減少干擾和震蕩。

圖2 電源電路設計Fig.2 Power circuit design

1.3 電壓采集電路設計

在本設計中，各個單體鋰電池串聯形成一個鋰電池組，串聯期間每節單體鋰電池會產生共模電壓，故需要檢測鋰電池組的單體電壓，減小共模電壓影響[8]。本設計采用專用的電池組模擬前端芯片LTC6804。LTC6804芯片內部自帶ADC轉換器，且具有特殊的集成電路設計，可對多節串聯的單體鋰電池進行電壓的采集，也可在內部設置對電壓采集的速度和精度，LTC6804芯片的最大測量誤差可以減小到1.2 mV，LTC6804芯片可以提供5個進行模擬量采集的I/O端口，此端口可以配置成溫度或其他傳感器輸入也可以配置成IIC接口[9]。其采集電路如圖3所示，芯片信號的采集與傳輸通過處理器進行控制，VCC接入一個5 V的電源，引腳A0～A3接地，LTC6804在工作中直接由所測量的電池進行供能，而其供能由2個引腳DRIVE和VREFG連接至一個5 V的直流電壓，作為芯片基準，在電路中接入一個三極管Q3將串聯電池的總電壓穩壓至一個穩定的5 V直流電壓輸給VREFG引腳，再在電路中通過引腳 VREFG、VREF1、VREF2 接入 3 個 0.1 μF的電容C13、C14和C15，這樣可以把干擾脈沖通過電容接地，隔斷直流從而消除干擾。 C1、C2、S1、S2引腳同時檢測2組鋰電池電壓，由內部AD轉換模塊轉換成控制器所需的數字電壓信號，進入MSP430F1101單片機。

圖3 電壓采集電路Fig.3 Voltage acquisition circuit

1.4 能量均衡控制電路設計

本設計擬采用放電法實現對鋰電池組BT0與BT1能量的均衡，放電結構如圖4所示，其中，放電MOS管選用功率型MOSFET，IRF740進行設計，IRF740器件屬于第三代的COOL POWER器件，導通電阻小，僅0.48 Ω，負載電流大，最高可達10 A級別，源漏最高支持電壓30 V，滿足本設計要求。電路中引腳 S1、S2、C1、C2接入對應的 LTC6804檢測芯片，引腳BATIN與單片機的對應引腳相連接，電路中放電電路由2個MOS管Q1、Q2與2個放電電阻R1、R2組成，MOS管作為開關器件，打開時系統放電，關斷時停止放電，系統判定對電池電壓較高的一組進行放電，當其電壓下降到與低電壓電池一致時，結束放電，實現電池組能量均衡的設計。

圖4 能量均衡電路Fig.4 Energy equalization circuit

2 系統軟件程序設計

主程序是整個系統程序的主干，包含初始化、信號處理、數據采集子程序、電池組信息檢測及電池管理子程序、RS-485通信子程序、均衡控制程序、LCD顯示子程序等。其主流程結構如圖5所示。首先對系統上電進行初始化；其次，啟動定時計數器，如果到達20 ms，讀取由LTC6804芯片檢測到的電池組電壓，由于鋰電池作放電過程中，電壓信號變化緩慢，為了得到穩定的電壓顯示效果，本次設計連續采集6次電壓，去掉最大值與最小值，取剩余4個電壓的值得平均值作為當前工作電壓，從而避免由于系統噪聲干擾引起的誤差，之后將電池組各電壓值通過LCD12864液晶實時顯示，同時通過RS-485通訊，上傳到上位機進行遠程監測；最后進行信息的分析與處理，若電池組中電壓不一致，那么均衡電路會對電池組中單體的容量進行調節，其調節方式如表1所示。電壓高的電池會對電壓低的電池進行放電，實現電池組的均衡性，如果兩節電池電壓達到一致，則結束運行。

由于MSP430F1101具有超低功耗、且多種工作模式[10]，為了降低系統功耗和體積，本次設計選用間歇式工作模式，電池組均衡過程較長，在此過程中，無需長時間顯示，當被喚起時顯示即可；其次，為了避免專用AD轉換芯片引入的功耗，本設計采用內嵌AD模塊的LTC6804電池專用檢測芯片，進一步降低系統功耗，同時節省了系統空間。

圖5 主程序流程Fig.5 Main program flow chart

表1 能量均衡開關控制狀態Tab.1 Energy balance switch control state

3 測試結果

根據上述硬件電路設計和軟件程序編程調試，搭建硬件平臺。對系統進行測試，測試系統功能的完整性。該試驗由2節能量不均勻的電池作測試，系統上電后，如圖6（a）所示，可以看出，兩節單體電池能量不均，開始啟動均衡控制電路，如圖6（b）所示，單體電池電壓高的逐漸給電壓低的電池進行放電均衡，LCD12864能夠正常顯示單節電池電壓的數據，說明LTC6804以及LCD12864工作正常；均衡一段時間后，如圖6（c）所示，兩節單體電池的電壓達到穩定，并且兩節電池的電壓達到基本一致，說明鋰電池組的能量均衡控制的過程已經完成。系統是測試過程同時通過上位機進行遠程監測，如圖7所示。

圖6 系統測試Fig.6 System testing

圖7 上位機監測Fig.7 Upper computer monitoring

4 結語

本文主要闡述低功耗的鋰電池組能量均衡控制的硬件及軟件設計過程，介紹鋰電池組能量均衡控制電路、鋰電池組各單體電壓檢測、電源設計、液晶顯示等硬件的結構、工作原理、軟件設計及系統測試結果，實現了對鋰電池組的能量的監測和均衡控制功能。測試結果表明，該設計結構簡單、功耗低、體積小，對電動汽車鋰電組能量均衡控制具有一定的參考意義。