基于單片機控制的電動車鋰電池包設計

隨著電動自行車的逐漸普及，電動自行車的緊要能源---鋰電池也成為眾人關心的焦點。鋰電池與鎳鎘、鎳氫電池不太相同，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生時，鋰電池內的壓力與熱量大量新增，容易出現爆炸，因此通常都會在電池組內加保護電路，用以提高鋰電池的使用壽命。針對目前電動車鋰電池包所用的保護電路大多都由分立原件構成，存在控制精度不夠高、技術指標低、不能有效保護鋰電池包等特點，本文中提出一種基于單片機的電動車36V鋰電池包（由10節3.6V鋰電池串聯而成）保護電路設計辦法，利用高性能、低功耗的ATmega16L單片機作為測試和控制核心，用由MC34063構成的DC/DC變換控制電路為整個保護電路供應穩壓電源，輔以LM60測溫、MOS管IRF530N作充放電控制開關，實現對整個電池包和單個電池的狀態監控和保護功能，達到延長電池使用壽命的目的。

1保護電路硬件設計

本系統以單片機為數據解決和控制的核心，將任務設計分析為電壓測量、電流測量、溫度測量、開關控制、電源、均衡充電等功能模塊。系統的總體框圖如圖1所示。

圖1系統的總體框圖

電池包電壓、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換為數字信號，并傳輸給單片機。單片機作為數據解決和控制的核心，一方面實時監控電池包的各項性能指標和狀態，一方面依據這些狀態參數控制驅動大功率開關。由于使用了單片機，使系統具有很大的靈活性，便于實現各種復雜控制，從而能方便地對系統進行功能擴展和性能改進。

1.1ATmega16L單片機模塊

從低功耗、低成本設計角度出發，單片機模塊采用高性能、低功耗的ATmega16L單片機作為測試與控制核心。ATmega16L是基于加強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，內部帶有16k字節的系統內可編程Flash,512字節EEpROM,1k字節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，支持片內調試與編程）,3個具有比較模式的靈活按時器/計數器（T/C）（片內/外中斷）,可編程串行USART,有起始條件測試器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFp封裝）的ADC,具有片內振蕩器的可編程看門狗按時器，一個SpI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行時間，ATmega16L的數據吞吐率高達1MIpS/MHz,從而可以緩減系統功耗和解決速度之間的矛盾。

單片機的輸入輸出設計如圖2所示。由電源部分降壓、穩壓得到的3.3V電壓通過端口10為單片機供應工作電壓；端口12和13為反向振蕩放大器與片內時鐘操作電路的輸入端和反向振蕩放大器的輸出端，為單片機供應工作晶振；端口30是端口A與A/D轉換器的電源，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是經過轉換后待測試的電壓、電流值；端口39,40的ADC1,ADC0是經過溫度傳感器轉換后的溫控電壓值。

圖2單片機的外圍電路設計

1.2穩壓電源模塊

穩壓電源是單片機系統的緊要組成部分，它不僅為系統供應多路電源電壓，還筆直影響到系統的技術指標和抗干擾性能。ATmega16L單片機的工作電壓為2.7~5.5V,為保證單片機穩定的工作電壓為3.3V.穩壓部分是由MC34063構成的DC/DC變換控制電路，從電池包分出的25V電壓經過電路降壓、穩壓，輸出3.3V,供保護電路工作，其電路如圖3所示。

圖3穩壓電源模塊電路

1.3充電均衡模塊

采用模擬電路辦法。即在每節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4.18V時，保護電路自動斷開。

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