基于ATmega16的電動車鋰電池組設計

隨著電動自行車的逐漸普及，電動自行車的主要能源---鋰電池也成為眾人關心的焦點。鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太一樣，因其能量密度高，對充放電要求很高。當過充、過放、過流及短路保護等情況發(fā)生時，鋰電池內(nèi)的壓力與熱量大量增加，容易產(chǎn)生爆炸，因此通常都會在電池包內(nèi)加保護電路，用以提高鋰電池的使用壽命。針對目前電動車鋰電池組所用的保護電路大多都由分立原件構(gòu)成，存在控制精度不夠高、技術指標低、不能有效保護鋰電池組等特點，本文中提出一種基于單片機的電動車36 V鋰電池組（由10節(jié)3. 6 V鋰電池串聯(lián)而成）保護電路設計方案，利用高性能、低功耗的ATmega16L 單片機作為檢測和控制核心，用由MC34063構(gòu)成的DC /DC變換控制電路為整個保護電路提供穩(wěn)壓電源，輔以LM60 測溫、MOS管IRF530N作充放電控制開關，實現(xiàn)對整個電池組和單個電池的狀態(tài)監(jiān)控和保護功能，達到延長電池使用壽命的目的。

1 保護電路硬件設計

本系統(tǒng)以單片機為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，將任務設計分解為電壓測量、電流測量、溫度測量、開關控制、電源、均衡充電等功能模塊。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖

電池組電壓、電流、溫度等信息通過電壓采樣、電流采樣和溫度測量電路，加到信號采集部分的A /D輸入端。 A /D模塊將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并傳輸給單片機。單片機作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，一方面實時監(jiān)控電池組的各項性能指標和狀態(tài)，一方面根據(jù)這些狀態(tài)參數(shù)控制驅(qū)動大功率開關。由于使用了單片機，使系統(tǒng)具有很大的靈活性，便于實現(xiàn)各種復雜控制，從而能方便地對系統(tǒng)進行功能擴展和性能改進。

1. 1 ATmega16 L單片機模塊

從低功耗、低成本設計角度出發(fā)，單片機模塊采用高性能、低功耗的ATmega16 L單片機作為檢測與控制核心。 ATmega16 L 是基于增強的AVRR ISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，內(nèi)部帶有16 k 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash, 512 字節(jié)EEPROM, 1 k字節(jié)SRAM, 32個通用I/O口線， 32個通用工作寄存器（用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程） , 3個具有比較模式的靈活定時器/計數(shù)器（ T/C）（片內(nèi)/外中斷） ,可編程串行USART,有起始條件檢測器的通用串行接口， 8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（ TQFP封裝）的ADC,具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SP I串行端口，以及6個可以通過軟件進行選擇的省電模式。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 L的數(shù)據(jù)吞吐率高達1M IPS/MHz,從而可以緩減系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。

單片機的輸入輸出設計如圖2所示。 由電源部分降壓、穩(wěn)壓得到的3. 3 V電壓通過端口10為單片機提供工作電壓；端口12和13為反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機提供工作晶振；端口30是端口A與A /D轉(zhuǎn)換器的電源，使用ADC時通過一個低通濾波器與端口10的VCC連接；端口37,38的ADC3, ADC2是經(jīng)過轉(zhuǎn)換后待檢測的電壓、電流值；端口39, 40的ADC1,ADC0是經(jīng)過溫度傳感器轉(zhuǎn)換后的溫控電壓值。

圖2 單片機的外圍電路設計

1. 2 穩(wěn)壓電源模塊

穩(wěn)壓電源是單片機系統(tǒng)的重要組成部分，它不僅為系統(tǒng)提供多路電源電壓，還直接影響到系統(tǒng)的技術指標和抗干擾性能。 ATmega16 L單片機的工作電壓為2. 7~5. 5 V,為保證單片機穩(wěn)定的工作電壓為3. 3 V. 穩(wěn)壓部分是由MC34063構(gòu)成的DC /DC變換控制電路，從電池組分出的25 V電壓經(jīng)過電路降壓、穩(wěn)壓，輸出3. 3 V,供保護電路工作，其電路如圖3所示。

圖3 穩(wěn)壓電源模塊電路

1. 3 充電均衡模塊

采用模擬電路方案。即在每節(jié)電池的外部搭建過壓保護電路，充電過程中當電壓超過預定值時，保護電路自動閉合，使電池通過電阻回路放電，以保護電池不會過度充電。當電池電壓減小到均衡充電動作電壓4. 18 V時，保護電路自動斷開。

1. 4 電壓電流測量模塊

待測的電壓通過集成運算放大器LM358,將輸出送至單片機進行檢測。 LM358內(nèi)部包括2個獨立、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用和雙電源工作模式，由于其低功耗電流，也適合于電池。用霍爾傳感器UGN - 3501 M 檢測直流電流。 UGN -3501M是集成型霍爾傳感器，采用差動霍爾電壓輸出，檢測靈敏度為1. 4 V /0. 1T.

電壓電流檢測電路的設計如圖4 所示。 運算放大器LM358的5, 6引腳所接的BB,AA為待測的充電、放電電壓，經(jīng)過放大后由7腳輸出至單片機進行檢測，當檢測到待測電壓達到過充、過放保護電壓時，由單片機控制斷開充放電回路。電流檢測通過霍爾傳感器完成，如圖4所示，將從UGN -3501M1, 8引腳輸出的霍爾電壓uH 接至LM358的3, 4引腳，經(jīng)過放大后從1 腳輸出ADC3 至單片機，進行過電流保護。 UGN - 3501M 的5, 6, 7引腳連接調(diào)整電位器，用以補償不等位電勢，同時改善線性。 調(diào)整5, 6引腳外接電阻R16,可使輸出霍爾電壓uH 與磁場強度有較好的線性關系。

圖4 電壓電流檢測電路

1. 5 溫度檢測模塊

溫度檢測和控制模塊選用電壓輸出型的半導體溫度傳感器LM60. 該傳感器是一種已校正的集成化溫度傳感器，它的工作溫度范圍是- 40 ℃至125 ℃，工作電壓范圍是2. 7 V至10 V. 信號輸出與溫度成正比，信號大小可達+ 6. 25 mV /℃。

基于LM60的溫度檢測電路如圖5所示。 由穩(wěn)壓部分輸出的3. 3 V 電源為此電路供電，經(jīng)過溫度傳感器將探測點的溫度轉(zhuǎn)化為電壓值通過ADC0,ADC1輸出，再將ADC0, ADC1送入單片機進行檢測，當電壓值達到溫控要求時，單片機控制開關通斷。

圖5 溫度檢測電路

1. 6 開關模塊

開關采用MOSFET,型號選用P溝道的MOS管的IR530N. 工作原理：單片機控制端口輸出高電平，功率三極管導通，功率場效應管的柵極和漏極之間產(chǎn)生壓降，功率場效應管導通。

2 軟件設計

本系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，處理程序采用模塊化編程， 程序運行的環(huán)境是ICCAVR 開發(fā)系統(tǒng)。

在電池組空載的時候，系統(tǒng)進入掉電模式，以使功耗降至最低；當電池組接入負載或?qū)﹄姵亟M充電時，單片機被激活，由低功耗掉電模式轉(zhuǎn)入正常工作模式，并持續(xù)運作。整個程序的流程如圖6所示。

圖6 程序流程

根據(jù)本系統(tǒng)的模塊分布，單片機程序分為電壓測量模塊、電流測量模塊和溫度測量模塊，每一模塊調(diào)用共同A /D轉(zhuǎn)換函數(shù)和延時判斷函數(shù)等，以縮短代碼長度和增強程序代碼的可讀性。 下面給出程序主函數(shù)的代碼：
void main （ void）
{
int （ ） ; / /單片機初始化，打開所有開關；
sleep （ ） ; / /單片機進入休眠模式；
int sign = 1;
while （ sign = = 1 ） / /判斷系統(tǒng)是否運行正常；
{ int（ ） ;
dianya （ ） ; / /調(diào)用測壓模塊；
delay（30000） ;
delay（30000） ;
dianliu （ ） ; / /調(diào)用測流模塊；
delay（30000） ;
delay（30000） ;
wendu （ ） ; / /調(diào)用溫度模塊；
delay（30000） ;
delay（30000） ;
}
int （ ） ;
sign = 1;
main （ ） ;
}

3 結(jié)束語

通過實驗，本保護電路系統(tǒng)實現(xiàn)了全部基本功能。與傳統(tǒng)采用分離元件的電池保護系統(tǒng)相比，本文中提出基于單片機的電池保護電路系統(tǒng)具有系統(tǒng)體積小、功能多、功耗低、成本低等特點，可用于工業(yè)生產(chǎn)。