电动车锂电池管理系统的软硬件设计
eeskill 2022-09-30

近年来,我国的雾霾天气越发严重,而雾霾的罪魁祸首之一就是汽车燃油尾气,研究和发展太阳能、风能等新型清洁能源成为汽车工业的必然趋势。电动自行车电池的安全性、耐用性一直是制约电动车发展的一个关键因素,而电池的关键在于其。

锂电池电动车作为一种新兴的交通工具,能源利用高、无排放、噪声小,市场发展前景非常广阔。电池管理系统是电动车的重要组成部分。随着电动车行业的高速发展,其对电池管理系统的要求也是日益提高。信号采集单元作为电池管理系统的前端控制部分,采样的快速精确是电池管理系统的基础,直接影响整个系统的性能和精度。本设计方案选用电池管理芯片 LTC6803 采集电池的电压信号,并利用其均衡功能设计均衡电路,通过 SPI 与单片机交换数据,提高单体电池电压检测精度、缩短检测时间,并实现对各串电芯的均衡保护。

电池管理系统的总体框架

电池管理系统主要由 12V 供电模块、单片机控制模块、LTC6803电压采集和均衡模块、温度采集模块、电流检测模块、继电器控制模块和 CAN 通信模块等组成,如图 1 所示。本设计方案选用 LTC6803 专用采集芯片进行电池电压信号的采集 , 简化了硬件电路和布线,并使整个系统具有开放性和扩展性。温度采集模块采用热敏电阻NTC(104F-4150F)配合 16 路选择开关芯片 CD4067B 来实现 8路温度的采集,解决 LTC6803 只带两路温度采集和扩展性差的问题。电流检测模块通过LEM 霍尔传感器对母线电流进行精确采样。采用 12V 单独供电模块给 MCU 供电 , 实现掉电情况下对电池状态监控。通过高速、隔离CAN 收发器与上位控制单元通信。电池管理系统能够对电池组进行实时监控,确保其电压、电流和温度等处于合理的状态下,并综合所采集到的电压、电流和温度等信息,统一处理分析并估算电池荷电状态。在电池组的电压、电流或温度出现异常状态时,系统通过继电器控制模块等及时切断电路回路,保证安全。

基于LTC6803的软硬件设计。

电压采集和均衡模块设计

电池管理系统中电压信号采集的准确性直接影响电池SOC估算的精度和对电池过压、欠压异常状态的及时处理,同时也影响整个系统电池均衡控制的有效性。LTC6803 是美国Linear Technology 公司推出的一款多节电池监视芯片,包含了 ADC(12 位)、电压基准(精准型)、多路电池电压输入监控、SPI 串行通信接口等部分,能方便的实现对电池电压的精确测量并易于设计均衡控制电路。通过将一个分立的 PMOS 器件及电阻连接到电池,并将栅极引出线连接至 LTC6803 的 S 引脚,就可在电池电压偏差较大时,通过控制 S 端的开断来控制 MOS 的导通,对电压较高的电池进行放电,直到电压恢复到允许的范围,实现整组电池的均衡,如图 2。

每个 LTC6803 芯片可用来测量 12 节串联电池的电压,并能通过 SPI 菊链方式实现多个芯片串联,易于扩展和维护,且几乎不需要使用隔离器或者光耦合器进行信号隔离。

信号采集单元的软件设计

电池管理系统信号采集单元的软件设计,主要是为了实现以下三点功能。

第一,LTC6803 与 MCU 之间的功能衔接,即 SPI 总线通信功能;

第二,MCU 与 CD4067B 两者相互之间的数据信息传输,即以实现温度信号传输为主的功能设置;

第三,内部电池包与整个控制单元之间的数据传输、通信功能。

在以上三项功能设置上,相对最为复杂的是 SPI 总线通信的实现过程。在具体设计上,首先需要读取电池信号,并对 SPI、LTC6803 等进行初始化设置。其中,SPI 初始化即对引脚的功能、数据的传输格式和传输频率予以初始化设置;而对 LTC6803 初始化是为了判断写 CFGR 寄存器是否成功。待初始化 / 设置寄存器之后,则使用已构建成功并拥有通信传输功能的LTC6803 来继续读取电池电压,并由 MCU 来发送 LTC6803 地址。

电池管理系统对电池组实时动态监控,具有充放电保护,电压均衡,SOC 计算等功能,从而保证锂电池的安全使用并延长使用寿命,对提高电动车性能有重大意义。基于 LTC6803的电池管理系统,其信号采集单元性能稳定、精度高,能够为电池均衡、荷电状态估算和电压监控提供精确数据。

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