基于单片机控制的电动汽车锂离子电池组设计

随着电动自行车的逐渐普及，电动自行车的重要能源---锂离子电池也成为众人关心的焦点。锂离子电池与镍镉、镍氢电池不太相同，因其能量密度高，对充放电要求很高。当过充、过放、过流及短路保护等情况发生时，锂离子电池内的压力与热量大量新增，容易出现爆炸，因此通常都会在电池包内加保护电路，用以提高锂离子电池的使用寿命。针对目前电动汽车锂离子电池组所用的保护电路大多都由分立原件构成，存在控制精度不够高、技术指标低、不能有效保护锂离子电池组等特点，本文中提出一种基于单片机的电动汽车36V锂离子电池组（由10节3.6V锂离子电池串联而成）保护电路设计方法，利用高性能、低功耗的ATmega16L单片机作为检测和控制核心，用由MC34063构成的DC/DC变换控制电路为整个保护电路供应稳压电源，辅以LM60测温、MOS管IRF530N作充放电控制开关，实现对整个电池组和单个电池的状态监控和保护功能，达到延长电池使用寿命的目的。

1保护电路硬件设计

本系统以单片机为数据处理和控制的核心，将任务设计分解为电压测量、电流测量、温度测量、开关控制、电源、均衡充电等功能模块。系统的总体框图如图1所示。

图1系统的总体框图

电池组电压、电流、温度等信息通过电压采样、电流采样和温度测量电路，加到信号采集部分的A/D输入端。A/D模块将输入的模拟信号转换为数字信号，并传输给单片机。单片机作为数据处理和控制的核心，一方面实时监控电池组的各项性能指标和状态，一方面根据这些状态参数控制驱动大功率开关。由于使用了单片机，使系统具有很大的灵活性，便于实现各种复杂控制，从而能方便地对系统进行功能扩展和性能改进。

1.1ATmega16L单片机模块

从低功耗、低成本设计角度出发，单片机模块采用高性能、低功耗的ATmega16L单片机作为检测与控制核心。ATmega16L是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，内部带有16k字节的系统内可编程Flash,512字节EEpROM,1k字节SRAM,32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器（用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程）,3个具有比较模式的灵活按时器/计数器（T/C）（片内/外中断）,可编程串行USART,有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFp封装）的ADC,具有片内振荡器的可编程看门狗按时器，一个SpI串行端口，以及6个可以通过软件进行选择的省电模式。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16L的数据吞吐率高达1MIpS/MHz,从而可以缓减系统功耗和处理速度之间的矛盾。

单片机的输入输出设计如图2所示。由电源部分降压、稳压得到的3.3V电压通过端口10为单片机供应工作电压；端口12和13为反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端和反向振荡放大器的输出端，为单片机供应工作晶振；端口30是端口A与A/D转换器的电源，使用ADC时通过一个低通滤波器与端口10的VCC连接；端口37,38的ADC3,ADC2是经过转换后待检测的电压、电流值；端口39,40的ADC1,ADC0是经过温度传感器转换后的温控电压值。

图2单片机的外围电路设计

1.2稳压电源模块

稳压电源是单片机系统的重要组成部分，它不仅为系统供应多路电源电压，还直接影响到系统的技术指标和抗干扰性能。ATmega16L单片机的工作电压为2.7~5.5V,为保证单片机稳定的工作电压为3.3V.稳压部分是由MC34063构成的DC/DC变换控制电路，从电池组分出的25V电压经过电路降压、稳压，输出3.3V,供保护电路工作，其电路如图3所示。

图3稳压电源模块电路

1.3充电均衡模块

采用模拟电路方法。即在每节电池的外部搭建过压保护电路，充电过程中当电压超过预定值时，保护电路自动闭合，使电池通过电阻回路放电，以保护电池不会过度充电。当电池电压减小到均衡充电动作电压4.18V时，保护电路自动断开。