基于M68HC08GZ16的電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　電動(dòng)汽車是指全部或部門由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車。目前主要有純電動(dòng)汽車、混合電動(dòng)車和燃料電池汽車3種類型。電動(dòng)汽車目前常用的動(dòng)力來(lái)自于鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。

　　鋰電池具有高電池單體電壓、高比能量和高能量密度，是當(dāng)前比能量最高的電池。但恰是由于鋰電池的能量密度比較高，當(dāng)發(fā)生誤用或?yàn)E用時(shí)，將會(huì)引起安全事故。而電池治理系統(tǒng)能夠解決這一題目。當(dāng)電池處在充電過(guò)壓或者是放電欠壓的情況下，治理系統(tǒng)能夠自動(dòng)堵截充放電回路，其電量均衡的功能能夠保證單節(jié)電池的壓差維持在一個(gè)很小的范圍內(nèi)。此外，還具有過(guò)溫、過(guò)流、剩余電量估測(cè)等功能。本文所設(shè)計(jì)的就是一種基于單片機(jī)的電池治理系統(tǒng)。

　　1 電池治理系統(tǒng)硬件構(gòu)成

　　針對(duì)系統(tǒng)的硬件電路，可分為MCU模塊、檢測(cè)模塊、均衡模塊。

　　1.1 MCU模塊

　　MCU是系統(tǒng)控制的核心。本文采用的MCU是M68HC08系列的GZ16型號(hào)的單片機(jī)。該系列所有的MCU均采用增強(qiáng)型M68HC08中心處理器(CP08)。該單片機(jī)具有以下特性：

　　(1)8 MHz內(nèi)部總線頻率;(2)16 KB的內(nèi)置FLASH存儲(chǔ)器;(3)2個(gè)16位定時(shí)器接口模塊;(4)支持1 MHz～8 MHz晶振的時(shí)鐘發(fā)生器;(5)增強(qiáng)型串行通訊接口(ESCI)模塊。

　　1.2 檢測(cè)模塊

　　檢測(cè)模塊中將對(duì)電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)和溫度檢測(cè)模塊分別進(jìn)行先容。

　　1.2.1 電壓檢測(cè)模塊

　　本系統(tǒng)中，單片機(jī)將對(duì)電池組的整體電壓和單節(jié)電壓進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于電池組整體電壓的檢測(cè)有2種方法：(1)采用專用的電壓檢測(cè)模塊，如霍爾電壓傳感器;(2)采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路。采用專用的電壓檢測(cè)模塊本錢較高，而且還需要特定的電源，過(guò)程比較復(fù)雜。所以采用分壓的電路進(jìn)行檢測(cè)。10串錳酸鋰電池組電壓變化的范圍是28 V～42 V。采用3.9 M?贅和300 k?贅的電阻進(jìn)行分壓，采集出來(lái)的電壓信號(hào)的變化范圍是2 V～3 V，所對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果為409和*。

　　對(duì)于單體電池的檢測(cè)，主要采用飛電容技術(shù)。飛電容技術(shù)的原理圖如圖1所示，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。

　　如圖1所示，為電池組后4節(jié)的保護(hù)電路圖，通過(guò)四通道的開(kāi)關(guān)陣列可以將后4節(jié)電池的任意1節(jié)電池的電壓采集到單片機(jī)中，單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制MOS管的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而對(duì)電池組的充電放電起到保護(hù)作用。

　　以上6節(jié)電池可以用2個(gè)三通道開(kāi)關(guān)切換陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。MAX309為1片4選1、雙通道的多路開(kāi)關(guān)，通過(guò)選址實(shí)現(xiàn)通道的選擇。開(kāi)關(guān)S5、S6、S7負(fù)責(zé)將電池的正極連接至飛電容的正極。開(kāi)關(guān)S2、S3、S4負(fù)責(zé)將電池負(fù)極連接至飛電容的負(fù)極。三通道開(kāi)關(guān)切換陣列結(jié)構(gòu)與四通道開(kāi)關(guān)切換陣列類似，只是通道數(shù)少1路。工作時(shí)，單片機(jī)發(fā)出通道選址信號(hào)，讓其中1路電池的正負(fù)極與電容連接，對(duì)電容進(jìn)行充電，然后斷開(kāi)通道開(kāi)關(guān)，接通跟隨放大器的開(kāi)關(guān)，單片機(jī)對(duì)電容的電壓進(jìn)行快速檢測(cè)，由此完成了對(duì)1節(jié)電池的電壓檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)檢測(cè)電壓小于2.8 V，則可推斷出電池可能發(fā)生短路、過(guò)放或保護(hù)系統(tǒng)到電池的檢測(cè)線斷路，單片機(jī)將馬上發(fā)出信號(hào)堵截主回路MOS管。重復(fù)上述過(guò)程，單片機(jī)即完成對(duì)本模塊所治理的電池的檢測(cè)。

　　1.2.2 電流采樣電路

　　電流采樣時(shí)，電池治理系統(tǒng)中的參數(shù)是電池過(guò)流保護(hù)的重要依據(jù)。本系統(tǒng)中電流采樣電路如圖2所示。當(dāng)電池放電時(shí)，用康銅絲對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)由差模放大器的放大，變?yōu)?～5 V的電壓信號(hào)送至單片機(jī)。假如放電的電流過(guò)大，單片機(jī)檢測(cè)到的電壓信號(hào)比較大，就會(huì)驅(qū)動(dòng)三極管動(dòng)作，改變MOS管柵極電壓，關(guān)斷放電的回路。好比，對(duì)于36 V的錳酸鋰電池來(lái)說(shuō)，設(shè)定其保護(hù)電流是60 A?？点~絲的電阻是5 mΩ左右。當(dāng)電流達(dá)到60 A時(shí)，康銅絲的電壓達(dá)300 mV左右。為進(jìn)步精度，將電壓通過(guò)放大器放大10倍送至單片機(jī)檢測(cè)。

　　1.2.3 溫度檢測(cè)

　　電池組在充、放電過(guò)程中，一部分能量以熱量形式被釋放出來(lái)，這部分熱量不及時(shí)排除會(huì)引起電池組過(guò)熱。如果單個(gè)鎳氫電池溫度超過(guò)55℃，電池特性就會(huì)變質(zhì)，電池組充、放電平衡就會(huì)被打破，繼而導(dǎo)致電池組永久性損壞或爆炸。為防止以上情況發(fā)生，需要對(duì)電池組溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行散熱處理。

　　采用熱敏電阻作為溫度傳感器進(jìn)行溫度采樣。熱敏電阻是一種熱敏性半導(dǎo)體電阻器，其電阻值隨著溫度的升高而下降。電阻溫度特性可以近似地用下式來(lái)表示：

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