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新型电动汽车锂电池管理系统的设计方案
新型电动汽车锂电池管理系统的设计方案 摘要:电动汽车的发展有助于缓解能源短缺和环境污染问题,针对目前锂电池被逐渐应用在电动汽车上,提出了一种基于OZ8940芯片的电动汽车锂电池管理系统的设计方案。系统包括电压、电流、温度采集电路,均衡电路,MCU主控电路,I2 C通信电路,CAN通信电路,显示单元。该系统设计方案简单可靠,实现了对锂电池实时监测和保护的功能。 电动汽车的使用有助于保护环境和解决能源短缺问题。电池组作为电动汽车的能源,其正常地工作是安全行驶的重要保证,因此,对电池组工作状态的管理显得尤其重要。近年来,对电池管理系统的研究也越来越受到重视。电池管理系统的职能是实时监测电池组状态,实施必要的管理和保护措施,以提高电池组的利用率,确保电池组工作的安全可靠,进而确保行车安全。 1 系统基本功能介绍 设计的锂电池管理系统采用电池监测芯片对电动汽车电池的电压、电流、温度等信息进行实时监测。采集到的电压、电流、温度等信息经过微处理器处理后,相应的信息显示在显示屏上。如果电池状态信息超出正常范围,系统自动切断充放电回路并报警。均衡电路的应用,延长了电池组的使用寿命。系统结构如图1所示。图1 电池管理系统基本结构 2 系统硬件设计 系统采用O2Micro公司的OZ8940芯片作为电池信息的采集芯片。OZ8940是一款低功耗芯片,工作时电流小于500μA,休眠模式下小于50μA.可支持6~12节串联电池的信息测量,总的电压测量范围为9~60 V.内部包括12路的12位电压采集ADC,分辨率2.44 mV.1路片内温度采集ADC,精度为12位,2路片外温度采集ADC,精度为12位,分辨率1.22mV.OZ8940可提供两级保护功能,第一级保护包括过电压、过电流、过温度等保护。第二级保护是永久性外部极高过电压故障的保护。此外,OZ8940支持内部均衡与外部均衡两种均衡方式。均衡技术的应用,使得电池组特性在充电时保持了良好的一致性,这有助于延长电池组的使用寿命。OZ8940通过I2 C接口与MCU进行通信。 2.1 单体电池电压监测 如图2所示,12节单体电池串联构成电池组,从每一节电池的正负极引出接线端子,单体电池的输入电压范围为-0.5 V~8 V.接线端子经过RC低通电路后引入到OZ8940的BAT端口,作为电池电压的输入端。RC低通电路可以消除信号中的高频干扰。在OZ8940中通过一个多路选择器分别将这12路电压信号引入到内部12位精度的ADC中进行转换,转换结果送至内部逻辑,经过I2C接口与MCU通信。图2 电压采集。 2.2 电流监测 采用霍尔电流传感器对电池组充放电电流进行采集,如图1中电流采集部分所示。采集到的信息送至MCU进行处理。 2.3 温度监测 OZ8940内部集成了一个温度传感器。片内温度每升高1℃,内部温度传感器输出电压增加2.0976mV.内部温度传感器输出的电压量会有一定的偏差,这个偏差量可以通过片内EEPROM 中INTREF11~INTREF0位在软件上进行补偿。 此外,通过使用OZ8940的GPIO1和GPIO2两个端口可以采集片外温度信息。如图3所示,RT1和RT2是负温度系数的热敏电阻,即随着温度的升高,其阻值会降低。GPIO0端口提供3.3 V的电压,GPIO1和GPIO2 分别获得两路电压值。端口GPIO1 和GPIO1采样电压输入大小分别如式(1)和(2)。 UT1和UT2经过片内的一个多路选择器送至内部精度为12位的ADC进行转换。图3 温度采集 2.4 均衡电路 电池组在充电过程或者空闲状态时,当满足单体电池电压高于在片内EEPROM 预先设置好的门限值,且单体电池电压互差(最高电池电压与最低电池电压之差)大于预先设置的门限值(精度可以设置为9.76mV~39 mV),则三极管T导通,均衡电路[2]开始工作。三极管T和电阻RB为单体电池提供了一个放电回路,使得电池的工作状态保持了良好的一致性,延长了电池组的使用寿命。值得注意的是,在均衡期间,当系统发生过电压、过温度或者过电流等保护事件时,均衡电路停止工作,这是由OZ8940内部结构所决定的。 均衡电路原理图如图4所示。图4 均衡电路原理图。 2.5 保护措施 2.5.1 过电流保护 OZ8940内部集成了一个过电流监测器,它可以监测充放电电流的大小。预先在片内EEPROM 设定了过电流门限值,如果电流高于门限值,则系统在经过一定的时间延迟后自动切断充放电回路。OZ8940在休眠模式下,OZ8940的电流保护失效。实验中采用霍尔电流传感器监测电流大小。 2.5.2 过电压和低电压保护 OZ8940片内集成了一个过电压和低电压监测器。采集到的电池电压信息与EEPROM 中设置的电压门限值相比较,在充电过程中如果超出了高电压门限值,则系统在经
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