蓄電池是一種以放電方式輸出電能

，以充電方式吸收

、恢hui複fu電dian能neng的de電dian源yuan。由you鋰li離li子zi動dong力li電dian池chi構gou成cheng的de低di壓ya電dian源yuan，是shi水shui下xia機ji器qi人ren係xi統tong中zhong的de關guan鍵jian設she備bei。對dui鋰li離li子zi電dian池chi的de維wei護hu管guan理li不bu當dang將jiang直zhi接jie影ying響xiang鋰li離li子zi電dian池chi的de使shi用yong效xiao益yi和he壽shou命ming
，甚shen至zhi直zhi接jie損sun壞huai鋰li電dian池chi，從cong而er影ying響xiang水shui下xia機ji器qi人ren整zheng體ti性xing能neng
，嚴yan重zhong情qing況kuang下xia還hai會hui導dao致zhi機ji器qi人ren的de安an全quan事shi故gu。通tong過guo在zai線xian測ce量liang鋰li離li子zi動dong力li電池組的參數
，可以及時了解鋰離子電池的工作狀態
、工作特性及鋰離子電池需要維護情況，因而鋰離子動力電池的在線監測係統的研製勢在必行。

 

為了實現鋰離子動力電池參數的監測
，首選需要設計參數采集模塊，將鋰離子動力電池的電壓、電流、溫度等參數采集出來，同時上傳到帶有A/D 轉換模塊的單片機中，對這些數據進行記錄和顯示。

 

 

本係統采用分散數據采集和集中數據處理，分別設計電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路，然後把數據都輸送到單片機進行集中處理。係統結構圖如圖2-1所示。

 

圖2-1.係統結構圖

 

本係統監測的對象是國家863 項目水下機器人係統的鋰離子動力電池組，用的是深圳雷天科技生產的TS-LFP160AHA 型號的鋰離子動力電池

，電池組由8 塊單體電池組成。需要監測每塊單體電池的端電壓，並做出過壓
、欠壓判斷;需要多點測溫度，監測每塊電池的溫度以及電池組所處環境的溫度、濕度;由於8 塊單體電池串聯，所以隻需要測出串聯電流，並做出過流判斷。

 

本文采用了TMS320LF2407A 芯片。采用此芯片作為電池監測係統的CPU 還體現在以下幾個方麵：

 

1.節(jie)能(neng)，節(jie)能(neng)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)現(xian)代(dai)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)設(she)計(ji)的(de)一(yi)個(ge)熱(re)點(dian)問(wen)題(ti)。當(dang)設(she)備(bei)由(you)二(er)次(ci)電(dian)池(chi)來(lai)作(zuo)為(wei)電(dian)源(yuan)的(de)時(shi)候(hou)，節(jie)能(neng)問(wen)題(ti)則(ze)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)突(tu)出(chu)和(he)重(zhong)要(yao)。本(ben)設(she)計(ji)使(shi)用(yong)的(de)DSP 由3.3V 電源供電
，減小了控製器的損耗。芯片電源管理包括低功耗模式，能獨立將外設器件轉入低功耗模式。

 

2.16 通道輸入的A/D 轉換器。這一點對於多路采集子電路很有意義。可以直接將采集電路的輸出接到DSP 的A/D 轉換通道。而不必在DSP 外麵再設A/D 轉換電路。

 

3.40 個可單獨編程或複用的輸入輸出引腳。可用於安全開關及其它外設電路的控製。

 

4.串行通信接口（SCI）和16 位串行外設接口模塊（SPI）可以接監測係統的顯示部分。

 

 

係統的硬件設計主要包括電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集電路設計。采集電路以TMS320LF2407A 為CPU。TMS320LF2407A 是TI 公司專為實時控製而設計的高性能16 位定點DSP 器件，指令周期為33ns，其內部集成了前端采樣A/D 轉換器和後端PWM 輸出硬件，在滿足係統實時性要求的同時可簡化硬件電路設計。

 

3.1 電壓采集電路設計

 

本設計以鋰離子動力電池為管理對象。電池組由8 塊3.6V 鋰電池組成。每個電池單體的額定電壓為3.6V 充滿時端電壓為4.25V。要求電壓采集精度控製在1.5%以內。電池管理係統要求的最低采樣頻率為20ms。

 

係xi統tong采cai用yong線xian性xing光guang耦ou作zuo為wei隔ge離li和he數shu據ju采cai集ji係xi統tong的de信xin號hao傳chuan遞di采cai樣yang器qi件jian，這zhe樣yang就jiu將jiang前qian端duan的de每mei一yi節jie電dian池chi的de電dian壓ya隔ge離li出chu來lai。將jiang電dian池chi的de大da電dian壓ya按an一yi定ding比bi例li縮suo小xiao，以yi便bian將jiang電dian池chi變bian化hua的de電dian壓ya值zhi如ru實shi地di反fan映ying給geiDSP。其後需經過多路開關進入微處理器進行計算。光耦隔離的優點是速度快（光耦的速度是微秒級，遠小於繼電器的毫秒級），實(shi)時(shi)性(xing)要(yao)好(hao)。另(ling)外(wai)光(guang)耦(ou)兩(liang)端(duan)的(de)信(xin)號(hao)在(zai)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)上(shang)完(wan)全(quan)隔(ge)離(li)
，不(bu)存(cun)在(zai)任(ren)何(he)關(guan)係(xi)，所(suo)以(yi)即(ji)使(shi)在(zai)光(guang)耦(ou)的(de)輸(shu)出(chu)端(duan)發(fa)生(sheng)短(duan)路(lu)也(ye)不(bu)會(hui)給(gei)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)造(zao)成(cheng)任(ren)何(he)影(ying)響(xiang)。光(guang)耦(ou)將(jiang)電(dian)壓(ya)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)電(dian)流(liu)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)采(cai)集(ji)，解(jie)決(jue)了(le)共(gong)地(di)問(wen)題(ti)。與(yu)電(dian)壓(ya)傳(chuan)感(gan)器(qi)相(xiang)比(bi)，光(guang)耦(ou)的(de)性(xing)價(jia)比(bi)更(geng)高(gao)。

 

在選擇器件的時候，我們考慮到經濟性和實用性，光電禍合器選擇了日本東芝公司生產的TLP521，運算放大器選擇的雙運算放大器TL082。

 

電池單體的電壓測量電路如下圖3-1 所示。

 

圖3-1.單體電池電壓采集電路

 

VIN 即電池單體電壓，經過R1與光耦中的發光二極管形成回路
，將電壓信號（VIN）轉換為電流信號（ I11）。I11與I21有一定比例關係I11∝ I21。UU1 在這裏作為比較器使用。當A點電壓Va大於B 點電壓Vb，UU1 就輸出高一些的電壓值，當A 點電壓Va低於B 點電壓Vb，UU1 就輸出低一些的電壓值。在整個電壓采樣電路中，比較器形成一個反饋。使A、B 兩點的電壓值保持一致。這樣做的目的是B 點電壓顯然是15∕2=7.5v， Va= Vb =7.5v，說明上下兩個光耦中的三極管導通情況一樣。這樣，三極管的導通情況是受控於發光二極管的。可知當I21= I22時
， I11= I22。這樣，VIN∕= I11= I22= Vout∕R4。可見Vout 與VIN 成比例。

 

3.2 電流采集電路設計

 

鋰離子動力電池組所有電池單體串連組成整個供電係統，隻設置一個電流采集點即可。

 

本文采用霍爾電流傳感器采集。

 

霍爾電流傳感器的原理圖如3-2。被測電流In流過導體產生的磁場
，由通過霍爾元件輸出信號控製的補償電流Im流過次級線圈產生的磁場補償
，當原邊與副邊的磁場達到平衡時其補償電流Im即可精確反映原邊電流In值。

 

圖3-2 霍爾電流傳感器原理圖

 

本係統選用的是宇森CBH100SF 型號的閉環霍爾電流傳感器。測量頻率是0-100KHz
，額定電流100A
，測量範圍：0-±150A
，匝數比1:1000，精度0.2%-1%
，相應時間：《lus。結構如圖3-3 所示：

 

圖3-3 CHB100 外型和連接圖

 

其中采樣電阻Rm 采用精密電阻取樣
，推薦選用低溫漂（不大於2ppm）高精度的金屬膜電阻;因為寄生電感較大的原因，在高頻采樣場合，應避免采用精密線繞電阻。取樣電阻&TImes;副邊輸出電流額定值應小於電源電壓，差值大於4V。采樣電阻的功率必須足夠，Rm=30Ω。

 

3.3 溫度采集電路設計

 

zaidianchishengyudianliangdejisuanzhong
，dianchidegongzuowendushiyigezhongyaodeyingxiangyinsu。chucizhiwai
，zaipanduandianchianquanherechulifangmianyexuyaoshishicaijiwenducanshu。benshejizhong，jishejile8 節單體電池的溫度信號采集，也設計了對於環境溫度的實時采集。

 

本係統是采用了熱敏電阻進行電池本身的溫度檢測。與電橋電路結合

，將溫度信號反映為電壓信號。電路如圖3-4。

 

圖3-4 單體電池溫度采樣電路

 

其中RMDZ1 是shi熱re敏min電dian阻zu
，使shi用yong它ta主zhu要yao是shi考kao慮lv到dao性xing價jia比bi高gao，而er且qie它ta的de體ti積ji小xiao連lian接jie線xian長chang，可ke直zhi接jie貼tie在zai電dian池chi單dan體ti的de外wai殼ke上shang。缺que點dian就jiu是shi線xian性xing度du不bu好hao。電dian池chi溫wen度du的de檢jian測ce主zhu要yao是shi對dui上shang下xia兩liang個ge界jie限xian溫wen度du的de報bao替ti，和he計ji算suan電dian池chi間jian的de溫wen差cha

，找zhao出chu異yi常chang電dian池chi。不bu牽qian扯che函han數shu與yu複fu雜za計ji算suan的de問wen題ti
，對dui線xian型xing度du要yao求qiu不bu高gao
，所suo以yi使shi用yong熱re敏min電dian阻zu可ke以yi滿man足zu需xu求qiu。

 

環境溫度的測量選用一種新穎的溫度傳感器LM35，其特點是輸出電壓與環境攝氏溫度成正比，集成電路內部己經校正
，無需外部校正。靈敏度為10.0mV/℃，精度可達0.5℃
，工作電壓範圍4V-30V
，耗電極少，輸出阻抗低。自此使用LM35 滿量程［55℃，150℃］連接方法。為了防止零下溫度時
，輸出負壓，不便於采樣到DSP 中，設計了一個減法器電路。調整為環境溫度在［-45℃
，75℃］範圍內，輸出電壓是［0，4.5V］。

 

 

本係統的軟件設計采用DSP（TMS320LF2407A）C 語yu言yan編bian程cheng
，實shi行xing模mo塊kuai化hua設she計ji，增zeng加jia了le程cheng序xu的de可ke讀du性xing和he移yi植zhi性xing。本ben設she計ji主zhu要yao以yi水shui下xia機ji器qi人ren使shi用yong的de鋰li離li子zi動dong力li電dian池chi為wei研yan究jiu對dui象xiang而er設she計ji
，同tong時shi力li求qiu能neng夠gou有you更geng好hao的de兼jian容rong性xing

，即ji換huan作zuo其qi它ta電dian池chi不bu需xu要yao改gai動dong硬ying件jian，隻zhi需xu改gai動dong軟ruan件jian，甚shen至zhi盡jin可ke能neng小xiao地di改gai動dong軟ruan件jian即ji可ke使shi用yong。對dui於yu本ben係xi統tong而er言yan，控kong製zhi軟ruan件jian應ying滿man足zu如ru下xia要yao求qiu：

 

采集電流
、電壓

、溫度等信號
，判斷電池的故障信號，進行處理並采取相應的保護措施，顯示故障信息。

 

模擬數據的采集包括電池單體電壓、電流
、電池單體溫度
、環境溫度。其中電壓采集是需要由控製模擬多路開關來完成，各個單體電池電壓值分時進入DSP，要求采集同一時刻的電壓與電流。充分利用TMS320F2407A/D 模塊，一次采集四個量：電壓
、電流
、電池溫度、環境溫度，利用循環完成對電池組中多個電池的模擬量采樣。

 

 

本文針對鋰離子動力電池組的特性和測試要求，設計了基於TMS320LF2407A 的監測係統，提出了分散數據采集與集中數據處理的方案，給出了電池監測係統電壓
、電流、溫度采集的軟硬件方案，搭建了單體電池數目可達8 節的電池監測係統底層采集模塊框架。

 

在此基礎上可以方便地將電池信息采集到DSP 中進行記錄和電池狀態的估測判斷，並通過CAN 網絡與中心控製器通信，形成完整的電池監控係統。

 

benketidezhuyaoyanjiuneirongzaiyudianchijiancexitongzhengtifangandeshejiheyingjiandianludesheji。qihexinshifensanshujucaijiyujizhongshujuchulixiangjiehedefangan。fenbiecaijidantidianchidedianya、電路、溫度
，將這些基本信息送到DSP 中進行集中的、綜合的分析、處理。硬件設計的重點是幾個采集電路的設計以及DSP 小(xiao)係(xi)統(tong)在(zai)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)。電(dian)壓(ya)采(cai)集(ji)電(dian)路(lu)在(zai)保(bao)證(zheng)性(xing)能(neng)的(de)基(ji)礎(chu)上(shang)，具(ju)有(you)靈(ling)活(huo)性(xing)和(he)明(ming)顯(xian)的(de)價(jia)格(ge)優(you)勢(shi)。通(tong)道(dao)間(jian)的(de)幹(gan)擾(rao)和(he)采(cai)集(ji)速(su)度(du)都(dou)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)。可(ke)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)的(de)實(shi)時(shi)性(xing)和(he)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)。通(tong)過(guo)增(zeng)加(jia)外(wai)設(she)采(cai)樣(yang)保(bao)持(chi)，可(ke)以(yi)采(cai)集(ji)到(dao)同(tong)一(yi)時(shi)刻(ke)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)。電(dian)池(chi)管(guan)理(li)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)流(liu)、溫度采集，分別采用了霍爾大電流傳感器
、熱敏電阻、霍爾溫度進行測量。