基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制器的设计论文.docx
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基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制器的设计论文
毕业设计
设计题目基于单片机控制的电动汽车电池组
均衡控制器的设计
学生姓名
学号2
专业班级机械设计制造及其自动化班
指导教师
院系名称机械与汽车工程学院
2013年6月4日
中文摘要3
英文摘要4
基于单片机控制的电动汽车电池组均衡控制器的设计
摘要:
在电池使用过程中,由于制造上的差异各个电池的容量和内阻都有所区别,这就导致充电过程中有些过充电,有些欠充电,形成不均衡充电。
使用次数越多,不均衡性就越严重,会使得电池提前损坏,降低电池寿命,造成高昂的成本。
但是如果在充电过程中加入均衡控制器进行电压均衡,就可以很大程度的避免此类情况的发生,提高电池的寿命,降低经济成本。
本文就针对电池充电过程中存在的过充现象设计出了一个均衡控制电路,能有效的抑止电池的过充。
关键词:
电池均衡控制过充电
DesignanbalancingcontrollerwhichbasedonMCUforelectricvehiclebattery
Abstract:
Intheprocessofbatteryusing.Becauseofthedifferenceofmanufacturing,therearesomethingdifferentincapacityandinternalresistanceofbattery.Thisledtoabadphenomenonofthechargingprocess,liketheovercharge,undercharge.Themoretheuse,imbalanceismoreserious,Thiswillcausecelldamageinadvance,reducebatterylife,resultinginhighcosts.Butifthevoltagebalancewasincludedintheprocessofcharging,cangreatlyavoidsuchsituations,improvethebatterylife,reducetheeconomiccost.Inthispaper,abalancedcircuitwasdesignedfortheoverchargephenomenon,itcanrestrainthebatteryoverchargeeffectively.
Keywords:
batteryoverchargevoltagebalance
1绪论
1.1研究的目的和意义
燃油汽车工业的不断发展,造成了全球能源危机的不断加深以及环境的严重污染,促使人们开发新一代节能环保汽车。
各国政府和汽车企业也认为,未来汽车产业发展的主流方向是高效节能,低污染及低排放。
而电动汽车作零排放优点的绿色交通工具成为各国汽车企业关注的焦点,所以发展电动汽车是解决这一问题的最佳途径。
结合时代的需要,响应时代的号召,为了电动汽车的发展与普及,各国政府相继采取各种鼓励措施来推动电动汽车的发展,我国科技部为此制定了863电动汽车重大专项。
电动汽车是目前国际国内的重点发展项目,所以作为电动汽车的心脏—电池就显得尤为重要。
目前国内对电池充电的研究主要集中在充电方法上,由于串联电池组的不一致性将对电池组充电过程产生巨大影响,这是任何充电方法都面临而且必须解决的问题,所以对电池组均衡性控制的研究是电池组电池研究的一个重要组成部分,对推动电动汽车的实用化进程有很大的实用意义。
在电池使用过程中,由于制造上的差异各个电池的容量和内阻都有所区别,这就导致充电过程中有些过充电,有些欠充电,形成不均衡充电。
使用次数越多,不均衡性就越严重,会使得电池提前损坏,降低电池寿命,造成高昂的成本。
但是如果在充电过程中加入均衡控制器进行电压均衡,就可以很大程度的避免此类情况的发生,提高电池的寿命,降低经济成本。
1.2国内外研究现状和发展趋势
已知的传统电池组放电方法中,只是检测串联电池组的整体电压,不检测各个单体电池的端电压。
这种方法简单易行,但由于使用过程中各节单体电池的电量不均匀,长期循环使用,差异会更大,使得电量较小的单体电池总是处于“过放”状态,寿命大大缩短,从而影响整个电池组的工作情况。
这种放电方法往往设定一个放电终止电压,当检测到串联电池组的电压低于这个设定值时,终止放电。
但是电池组的终止电压不能反映电池组中的各节单体电池的电压,所以终止放电时,有些电池会出现“过放”现象,有些电池可能还有剩余电量没有使用,电池组能量使用率低。
事实上,电池的电量的影响因素比较多,同时还受到温度,充放电次数,电池本身的化学特性等因素的影响。
在不同的温度,充放电循环次数下,电池组在充放电时能够存储并且释放出来的电量是不同的,充满电时的端电压也是不同的。
要最大限度的利用电池,就需要充放电装置能够在不同的环境下,将电池的电量充满,并能在不损坏电池的情况下,将电池中存储的能量尽可能的释放出来共给负载。
另外,电池组由于制造工艺和电池成组技术等原因,串联电池组充电时,单体电池电量存在一定的差异,这种差异会在使用过程中逐渐增大,进而会影响整个电池组的工作状态,这就要求充放电装置能够尽可能地减小甚至消除这种差异,使得电池组在充放电过程中保持均衡状态。
均衡充电的方案有多种,选择时首先要考虑电路复杂程度和均衡效率。
美国托莱多大学在其BMS中采用一种集中式、非耗散型的选择性推进均衡器。
这种方案是通过控制继电器网络的切换来对所选择的单体电池进行均衡充电,硬件设备比独立均衡简单,但效率相对较低。
北京理工大学在其研发的电动客车BFC6100EV上采用一种电池组均衡充电保护系统方案,实现均衡充电和电池保护的综合运用,但是在放电时没有均衡管理,可能出现过放现象。
在国内外流行的各种均衡充放电方法中,传统的均衡充放电不能使电池达到电压均衡的目的,必须使用主动均衡的方式使电池电压达到平衡。
主动均衡的方法很多,主要有:
(1)“开关电容”法。
在每两只电池间或多只电池间通过双向开关并联一个电容,在两只电池间频繁切换电容,使电压高的电池电量流向电压低的电池。
(2)“变压器”法。
变压器原边接电池组电压,副边为多个相同绕组,每个电池对应一个绕组。
原边接控制开关控制均衡过程。
均衡时,副边输出电压相同,SOC低的电池会接受更多电流,从而使电池组达到均衡。
缺点是线圈存在漏感和互感,做到各绕组输出电压完全一致较困难。
(3)DC/DC转换法。
通过DC/DC转换将SOC高的电池能量向SOC低的电池转移。
(4)电阻放电法。
每只电池通过一个开关并联一个电阻,当充电电压大于电池的最高限压时,使开关闭合,通过电阻使充电电流旁路,而其他电池继续充电,直到所有电池都充满。
此电路的优点是方法简单,缺点是要将多余的能量消耗掉,转变成热量,效率低,对电池组又带来了散热的新问题。
此方法只适用于小容量电池,因为放电电流不可能太大,一般限制在100~200mA之间[1]。
本文使用的是第四种方法,通过自设计均衡充放电电路改善了不利因素,可以使用在所有单体电池小于5V的所有电池组,并且放电电流可达到2A,放电效率高可适用于大容量电池。
此外,新添的充电回路补充了放电时的功能,用来管理放电时的过放电池,保证电池在相同的电量状态下。
1.3均衡控制的优点
所设计的均衡充放电控制系统主要具有以下优点:
(1)各个单电池电压都均衡的电池组,其性能和寿命与单个电池类似,不会有巨大差异;
(2)可以摆脱由于电池不均衡造成的电池失效,常见的是某些电池长期处于欠充状态下极板硫化失效和过充电造成电池失水;
(3)加主动均衡的电池组不再需要被动均衡的高压过充电,可降低最高充电电压,这样可以使电池失水更少,延长电池寿命,并且大大降低电池热失控的可能性;
(4)当电池组中某只电池损坏后,只需将该只电池更换,而不需整组更换,可节约可观的费用。
均衡充放电系统将使新旧电池电压保持一致,正常工作[7]。
1.4论文主要内容
论文的主要工作包括以下几个方面:
1.设计均衡充放电硬件电路和相关模块电路,对电路相关元器件进行选型,搭建实验系统的硬件部分。
2.根据所需要完成的功能,设计均衡充放电电路控制系统的软件部分,绘出系统功能流程图,并进行调试。
2总体结构设计
本文设计了一种动力型锂离子电池均衡充放电控制系统,实现电池组单体电池载荷状态的监测,以及在较短时间内响应并控制电池组中各节单体电池的充放电状态。
实验系统结构如图2-1所示,由控制模块、均衡电源模块、检测模块、电池模块组成。
图2.1系统结构图
2.1总体技术方案
设计的均衡充放电控制系统主要是面向动力型锂离子电池,其中实验系统的动力型锂离子电池组为12节电池串联构成的电池模组,每节电池由两个小电池并联组成。
再通过检测板和均衡电源板协同处理,实现均衡充电回路和均衡放电回路的切换,而控制模块负责数据融合处理和命令发送。
2.1.1检测模块功能
检测模块主要对12节电池的电压温度进行实时检测回报给控制模块,由控制模块对每节电池的状态做出评价并返回相应命令。
2.1.2均衡电源模块功能
均衡电源模块在电池充电过程中可控制检测模块中的均衡放电回路对相关电池模组的多节电池进行均衡放电。
达到均衡状态时关闭放电回路。
2.1.3控制模块功能
控制模块包括主控芯片及其外围电路,主控芯片分别与检测模块的电压检测回路、均衡充电回路连接。
主控芯片主要功能:
通过电路对检测模块中均衡充电回路,可以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。
主控芯片接收检测模块中电压检测回路检测到的电池模组中各节单体电池的电压值并进行运算比较处理,当电池模组中的某节单体电池处于“过充电状态”时,控制模块中的控制程序驱动均衡电源模块,结合检测模块中的光耦合器件和检测芯片的控制门打开检测模块中的均衡放电回路。
2.1.4均衡放电方法的特征
与其他的传统电池均衡充放电方法相比,其特征在于:
1.检测模块、电池模组均内置级联端口,电池模组通过级联端口实现电池模组的串联,检测模块通过级联端口相互级联实现对相互串联的电池模组实现均衡控制。
2.控制模块通过检测模块中的电压检测回路检测电池模组中各节单体电池的电压信号来判断所述各节单体电池的充放电状态,当检测到某节电池的状态异常时,控制模块同时控制均衡电源模块和检测模块的均衡充回路实现充电过程的均衡控制。
3.检测模块可以与控制模块实时通信,将电压和温度数值传送给控制模块,用以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电。
2.1.5总体功能流程
该均衡充电电路的设计是以各节单体电池的电压量为衡量依据,在充电过程中,通过电压检测回路来检测各节单体电池的电压,通过在控制模块中对检测得到的电压值进行运算比较处理,确定各节单体电池是处于“过充状态”还是“正常状态”,然后通过控制模块控制均衡放电回路,达到使“过充”电池放慢充电速度的目的,实现均衡充电。
均衡充放电电路控制系统包括控制模块、均衡电源模块、检测模块和电池模组,控制模块内部包括主控芯片和输出电路,检测模块中集成了电压检测、均衡充电两个回路,通过检测模块和控制模块的实时通讯可以实现对任意指定的一节电池进行均衡充电,检测模块和电池模组均可以通过级联的方式实现对多个串联电池模组的检测。
对电池均衡充放电的管理方法是,在充放电过程中,实时检测各节单体电池的电压参数,通过相应的融合计算,对采集得到的电压信号进行处理,从而判断各节单体电池所处的状态,是“正常状态”还是“过充状态”。
在充电过程中,对于处于“过充状态”的电池采用均衡放电回路并联电阻分流,来降低其充电速度,从而达到系统均衡充放电的目的。
均衡电源模块用于在充放电过程中对异常状态的电池及时进行处理,以达到均衡充电的目的。
电池模组由12节电池串联而成,每个并联单体电池的端点都通过引脚引出,通过接插件接入检测模块3的检测回路,检测模块3通过接插件的引脚之间的电位差来实现电池模组中的单体电池电压的检测。
3均衡放电硬件电路设计
作为均衡充电的核心部分,硬件电路的设计包括控制模块、检测检测模块、均衡模块、电池组模块。
系统总体硬件连接图见附录。
3.1控制模块的设计
控制模块是整个系统的核心,通过对检测模块传输过来的电池数据进行分析,判断出电池的充电状态对过充的电池实施放电均衡。
此外控制模块还会根据用户的命令对当前的电池电压和温度数据进行实时输出。
原理图如下。
图3.1控制模块图
3.1.1控制模块电路的设计
控制模块有一个单片机控制芯片,两个地址锁存器,四个输出数码管以及一些外围电路组成。
在系统运行过程中单片机对检测模块传送来的电池电压数据进行分析,筛选出过充电的电池并选择打开过充电电池的放电回路以达到均衡目的。
在输出过程中,单片机根据用户的需要实时输出电池的电压温度。
首先打开锁存器2,在P0口发出选通信号然后关闭锁存器2,接着打开锁存器1,在P0口输出电池的电压或温度数据,经过转码后显示在数码管上,最后关闭锁存器1,完成输出。
3.1.2主控芯片的选型
主控芯片选用Atmel公司的AT89C51。
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图3.2T89C51引脚图示
3.2均衡模块的设计
均衡模块直接与电池模组相连,控制着电池放电回路的通断。
当控制模块判断出哪些电池存在过充问题后,均衡模块就会打开相应的放电开关对过充电池进行放电以达到均衡目的。
通过研究芯片资料中给出的特征电路再加入自己的理解以及一些新功能,设计出了针对电池模组进行放电均衡的电路。
图3.3特征电路图
图3.4均衡电路图
如图3.4所示放电开关Q受控制模块控制,当电池组中出现过充现象时,控制模块发送控制命令打开其对应的放电开关Q对电池进行均衡放电。
其中二极管,电阻可以组成一个放电回路,可以消耗芯片内部残余的电能避免烧坏芯片。
电容C可以滤除电路中的杂质信号,促进检测的精确性。
3.3检测模块的设计
检测模块主要对12节电池的电压温度进行实时检测回报给控制模块,由控制模块对每节电池的状态做出评价并返回相应命令。
3.3.1检测芯片的选取
电压检测芯片选用的是凌特公司的LTC6802-1芯片。
LTC6802-1是一款完整的电池监视IC,它内置一个12位ADC、一个精确的电压基准、一个高电压输入多工器和一个串行接口。
每个LTC6802-1能够在输入共模电压高达60V的情况下测量多达12个串接电池的电压,此外还可以把多个LTC6802-1芯片串联起来以监视长串串联电池中每节电池的电压。
而且,通过运用独特的电平移位串行接口,能够把多个芯片以菊链式连接起来,无需使用光耦合器或光隔离器。
当把多个LTC6802-1器件串联起来时,它们就能够同时运作,从而使电池组中所有电池的电压测量都能在13ms内完成。
一个输入多工器将电池组连接到一个12位Δ-Σ模数转换器(ADC)。
一个内部10ppm的电压参考连接ADC使LTC6802-1具有超高的测量精度。
Δ-Σ模数转换器相对于其他类型的ADC有许多优点(例如逐次逼近)。
LTC6802-1和主处理器的通信是通过SPI兼容串口。
LTC6802-1芯片之间可以通过简单的二极管隔离将数据送往芯片堆栈的上层或下层。
有关芯片数据传输动作的描述详见LTC6802-1数据手册。
LTC6802-1还包括平衡单体电池电压的电路。
内部的MOSFET管可以用于给电池放电。
这些内部的MOSFET管还可以用于控制外部平衡电路。
LTC6802-1通过内部放电达到电池平衡以及用S引脚控制一个外部平衡电路。
LTC6802-1无法决定内部MOSFET管的开关。
这完全由主处理器(即STC12C5A60S2芯片)控制的。
主处理器写值给LTC6802-1内部的配置寄存器去控制MOSFET管的开关。
如果和主处理器的通信被打断,LTC6802-1的看门狗定时器会关闭放电开关。
图3.5LTC6802引脚图
3.3.2电路设计
通过查阅LTC6802芯片资料上给出的特征电路图以及各引脚的连接方法,设计出了检测12节电池电压,温度的电路原理图。
其中12节电池连接在C1-C12之间,S1-S12为电池过充状态的放电开关,CD4502为温度辅助检测芯片,U3为静电保护器用以保护干燥季节静电对芯片的危害。
图3.6特征电路图
图3.7检测电路图
如图3.7所示,D01、D02、D03为整流二极管,考虑承载和整流能力,选用1N4007,其特点是:
30A的正向浪涌承载能力和1A的最大正向平均整流电流,最高反向耐压为1000V,正向压降为1.0V,典型结电容为15PF,最大反向峰值电流为30uA;D04、D05、D06、D07为肖特基二极管,根据芯片所给资料,选用SBD,SBD具有开关频率高和正向压降低等优点,但其反向击穿电压比较低,大多不高于60V,最高仅约100V;D08为齐纳二极管,具有稳压作用,此二极管是一种直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件。
稳压特性:
在临界击穿点上,反向电阻降低到一个很小的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的;为了消除检测板与主控板之间通信信号线的静电,分别在SPI四条线上接入了ESD抑制器U3。
VREG和VREF作为电压输出,被用来上拉电压,VREG为线性稳压器输出,可提供4mA电流给负载,VREF为3.075V参考电压输出,可以驱动100K的负载,考虑上拉效果(功耗和传输特性),选用R13、R14、R15电阻值为47K;R09、R10、R11作为SPI通信上拉电阻,主要考虑芯片功耗,尽可能大一点,选用1M电阻;R02、R03作为温度传感器输入上拉电阻,考虑功耗,又兼顾输入延迟,故选用100K电阻。
3.4电池模组的设计
课题中,试验系统采用的是两节磷酸铁锂电池组成单个单体电池,整个电池组由12组单体电池组成,称作电池模组。
电池模组由方形环氧板(黄色)作支撑,再附上电池盒。
每个单体电池的两端通过接插件接入到检测板上,实时检测电压数据并上报给主控芯片。
硬件设计电路图见附录5所示。
磷酸铁锂是一种新型锂离子电池电极材料。
其特点是放电容量大,价格低廉,无毒性,不造成环境污染。
世界各国正竞相实现产业化生产。
但是其振实密度低,影响电容量。
磷酸铁锂具体的物理参数:
松装密度:
0.7g/cm;振实密度:
1.2g/cm;中位径:
2-6um;比表面积<30m/g;涂片参数:
LiFePo4:
C:
PVDF=90:
3:
7;极片压实密度:
2.1-2.4g/cm;电化性能:
克容量>155mAh/g;测试条件:
半电池,0.2C;电压:
4.0-2.0V;循环次数:
2000次。
3.5放电均衡过程
具体充电过程如下:
充电过程开始后,检测模块检测回路检测得到的各节单体电池的电压信号经过控制模块内部的电路传送到主控芯片,主控芯片通过对接收的电压信号进行运算和比较,判断出哪节电池处于“过充状态”,再由主控芯片控制检测模块中的均衡放电回路,对相应的电池进行并联电阻处理,减缓充电速度,达到均衡充电的目的。
在整个充电的过程中,当发现单体电池的电压值与均值差异超过某个范围δ时,就进行均衡充电调整过程。
均衡充电调整过程具体如下所述,均衡电源模块中的GPIO1引脚接收主控芯片发出的控制信号,打开检测模块中与“过充”单体电池对应的均衡放电回路,对相应的电池并联电阻处理。
在整个充电过程中,电池包的各节单体电池电压同步上升,实现了串联电池组的均衡充电。
每节单体电池的充电状态都是一个动态的过程,当检测得到的电压值与电池的额定电压偏差不超过设定的δ值时,停止对电池充电,认为电池已充满。
整个充电过程中,电池包的各节单体电池电压值同步上升,实现了电池组的均衡充电。
4均衡放电的软件部分设计
系统软件部分的编写包括电池电压、电流、温度的采集程序和负载控制命令程序。
其中电压、温度的采集都是与电压检测芯片LTC6802-1进行通信,需要涉及SPI通信。
使用KeiluVision3软件进行编程(C语言)。
4.1系统程序总流程
图4.1均衡充电流程
如图4.1所示,在充电器对电池组充电的阶段,主控芯片发送命令控制检测芯片ltc6802进行电压检测,接着在发送AD转换命令,读取12路单体电池电压值,通过内置算法程序将各路电压值进行运算比较,判断各路电池是否发生过充,若是的话,控制均衡电源板和检测板,打开相应放电回路进行处理;若否,判断电池组是否充满,充满的话则停止充电器开关,若否,一周期过后再循环检测。
4.2数据采集流程
LTC6802-1芯片13ms完成所有电池电压的检测,而主控芯片与LTC6802-1的通讯(电压、温度的打包上传)采用SPI(高速同步串行口)总线通讯。
4.2.1SPI通讯原理
SPI是一种全双工、高速、同步的通信总线,有两种操作模式:
主模式和从模式。
在主模式中支持高达3Mbps的速率(工作频率为12MHZ时,如果CPU主频采用20MHZ到36MHZ,则可更高,从模式时速度无法太快,SYSCLK/8以内较好),还具有传输完成标志和写冲突标志保护。
SPI的通信原理很简单,它以主从方式工作,这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备,需要至少4根线,事实上3根也可以(用于单向传输时,也就是半双工方式)。
也是所有基于SPI的设备共有的,它们是SDI(数据输入),SDO(数据输出),SCLK(时钟),CS(片选)。
其特点:
1.MOSI为SPI总线主机输出/从机输入(SPIBusMasterOutput/SlaveInput);2.MISO为SPI总线主机输入/从机输出(SPIBusMasterInput/SlaveOutput);3.SCLK为时钟信号,由主设备产生;4.CS为从设备使能信号,由主设备控制。
其中CS是控制芯片是否被选中的,也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时(高电位或低电位),对此芯片的操作才有效。
这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。
接下来就负责通讯的3根线了,通讯是通过数据交换完成的,这里先要知道SPI是串行通讯协议,也就是说数据是一位一位的传输的。
这就是SCLK时钟线存在的原因,由SCLK提供时钟脉冲,SDI,SDO则基于此脉冲完成数据传输。
数据输出通过SDO线,数据在时钟上升沿或下降沿时改变,在紧接着的下降沿或上升沿被读取。
完成一位数据传输,输入也使用同样原理。
这样,在至少8次时钟信号的改变(上沿和下沿为一次),就可以完成8位数据的传输。
要注意的是,SCLK信号线只由主设备控制,从设备不能控制信号线。
同样,在一个基于SPI的设备中,至少有一个主控设备。
4.2.2SPI读写程序
在SPI中,传输总是由主机启动的。
如果SPI时能(
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