关于36V锂电池组保护电路对电动车的作用分析和应用_技术

随着电动自行车的逐渐普及，电动自行车的主要能源---锂电池也成为众人关心的焦点。锂电池与镍镉、镍氢电池不太一样，因其能量密度高，对充放电要求很高。当过充、过放、过流及短路保护等情况发生时，锂电池内的压力与热量大量增加，容易产生爆炸，因此通常都会在电池包内加保护电路，用以提高锂电池的使用寿命。针对目前电动车锂电池组所用的保护电路大多都由分立原件构成，存在控制精度不够高、技术指标低、不能有效保护锂电池组等特点，本文中提出一种基于单片机的电动车36 V锂电池组（由10节3. 6 V锂电池串联而成）保护电路设计方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 单片机作为检测和控制核心，用由MC34063构成的DC /DC变换控制电路为整个保护电路提供稳压电源，辅以LM60 测温、MOS管IRF530N作充放电控制开关，实现对整个电池组和单个电池的状态监控和保护功能，达到延长电池使用寿命的目的。

1 保护电路硬件设计
本系统以单片机为数据处理和控制的核心，将任务设计分解为电压测量、电流测量、温度测量、开关控制、电源、均衡充电等功能模块。系统的总体框图如图1所示。

图1 系统的总体框图

电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路，加到信号采集部分的A /D输入端。 A /D模块将输入的模拟信号转换为数字信号，并传输给单片机。单片机作为数据处理和控制的核心，一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态，一方面根据这些状态参数控制驱动大功率开关。由于使用了单片机，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。
1. 1 ATmega16 L单片机模块

单片机的输入输出设计如图2所示。由电源部分降压、稳压得到的3. 3 V电压通过端口10为单片机提供工作电压；端口12和13为反向振荡放大器与片内时钟 *** 作电路的输入端和反向振荡放大器的输出端，为单片机提供工作晶振；端口30是端口A与A /D转换器的电源，使用ADC时通过一个低通滤波器与端口10的VCC连接；端口37,38的ADC3, ADC2是经过转换后待检测的电压、电流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是经过温度传感器转换后的温控电压值。

图2 单片机的外围电路设计

1. 2 稳压电源模块
稳压电源是单片机系统的重要组成部分，它不仅为系统提供多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。 ATmega16 L单片机的工作电压为2. 7~5. 5 V,为保证单片机稳定的工作电压为3. 3 V. 稳压部分是由MC34063构成的DC /DC变换控制电路，从电池组分出的25 V电压经过电路降压、稳压，输出3. 3 V,供保护电路工作，其电路如图3所示。

图3 稳压电源模块电路

1. 3 充电均衡模块
采用模拟电路方案。即在每节电池的外部搭建过压保护电路，充电过程中当电压超过预定值时，保护电路自动闭合，使电池通过电阻回路放电，以保护电池不会过度充电。当电池电压减小到均衡充电动作电压4. 18 V时，保护电路自动断开。
1. 4 电压电流测量模块
待测的电压通过集成运算放大器LM358,将输出送至单片机进行检测。 LM358内部包括2个独立、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用和双电源工作模式，由于其低功耗电流，也适合于电池。用霍尔传感器UGN - 3501 M 检测直流电流。 UGN -3501M是集成型霍尔传感器，采用差动霍尔电压输出，检测灵敏度为1. 4 V /0. 1T.
电压电流检测电路的设计如图4 所示。运算放大器LM358的5, 6引脚所接的BB,AA为待测的充电、放电电压，经过放大后由7脚输出至单片机进行检测，当检测到待测电压达到过充、过放保护电压时，由单片机控制断开充放电回路。电流检测通过霍尔传感器完成，如图4所示，将从UGN -3501M1, 8引脚输出的霍尔电压uH 接至LM358的3, 4引脚，经过放大后从1 脚输出ADC3 至单片机，进行过电流保护。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引脚连接调整电位器，用以补偿不等位电势，同时改善线性。调整5, 6引脚外接电阻R16,可使输出霍尔电压uH 与磁场强度有较好的线性关系。

图4 电压电流检测电路

1. 5 温度检测模块
温度检测和控制模块选用电压输出型的半导体温度传感器LM60. 该传感器是一种已校正的集成化温度传感器，它的工作温度范围是- 40 ℃至125 ℃，工作电压范围是2. 7 V至10 V. 信号输出与温度成正比，信号大小可达+ 6. 25 mV /℃。
基于LM60的温度检测电路如图5所示。由稳压部分输出的3. 3 V 电源为此电路供电，经过温度传感器将探测点的温度转化为电压值通过ADC0,ADC1输出，再将ADC0, ADC1送入单片机进行检测，当电压值达到温控要求时，单片机控制开关通断。

图5 温度检测电路

1. 6 开关模块
开关采用MOSFET,型号选用P沟道的MOS管的IR530N. 工作原理：单片机控制端口输出高电平，功率三极管导通，功率场效应管的栅极和漏极之间产生压降，功率场效应管导通。
2 软件设计
本系统软件采用C语言编写，处理程序采用模块化编程，程序运行的环境是ICCAVR 开发系统。
在电池组空载的时候，系统进入掉电模式，以使功耗降至最低；当电池组接入负载或对电池组充电时，单片机被激活，由低功耗掉电模式转入正常工作模式，并持续运作。整个程序的流程如图6所示。

图6 程序流程

根据本系统的模块分布，单片机程序分为电压测量模块、电流测量模块和温度测量模块，每一模块调用共同A /D转换函数和延时判断函数等，以缩短代码长度和增强程序代码的可读性。下面给出程序主函数的代码：
void main （void）
{
    int （） ; / /单片机初始化，打开所有开关；
    sleep （） ; / /单片机进入休眠模式；
    int sign |= 1;
    while （ sign = = 1 ） / /判断系统是否运行正常；
    { int（） ;
      dianya （） ; / /调用测压模块；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      dianliu （） ; / /调用测流模块；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
      wendu （） ; / /调用温度模块；
      delay（30000） ;
      delay（30000） ;
    }
    int （） ;
    sign |= 1;
    main （） ;
}

3 结束语

通过实验，本保护电路系统实现了全部基本功能。与传统采用分离元件的电池保护系统相比，本文中提出基于单片机的电池保护电路系统具有系统体积小、功能多、功耗低、成本低等特点，可用于工业生产。