锂离子动力电池组的监测系统设计与实现

本系统监测的对象是国家863项目水下机器人系统的锂离子动力电池组，用的是深圳雷天科技生产的TS-LFP160AHA型号的锂离子动力电池，电池组由8块单体电池组成。需要监测每块单体电池的端电压，并做出过压、欠压判断；需要多点测温度，监测每块电池的温度以及电池组所处环境的温度、湿度；由于8块单体电池串联，所以只需要测出串联电流，并做出过流判断。

本文采用了TMS320LF2407A芯片。采用此芯片作为电池监测系统的CPU还体现在以下几个方面：

1.节能，节能已经成为现代电子设备设计的一个热点问题。当设备由二次电池来作为电源的时候，节能问题则变得更加突出和重要。本设计使用的DSP由3.3V电源供电，减小了控制器的损耗。芯片电源管理包括低功耗模式，能独立将外设器件转入低功耗模式。

2.16通道输入的A/D转换器。这一点对于多路采集子电路很有意义。可以直接将采集电路的输出接到DSP的A/D转换通道。而不必在DSP外面再设A/D转换电路。

3.40个可单独编程或复用的输入输出引脚。可用于安全开关及其它外设电路的控制。

4.串行通信接口（SCI）和16位串行外设接口模块（SPI）可以接监测系统的显示部分。

3系统的硬件设计

系统的硬件设计主要包括电压采集电路、电流采集电路和温度采集电路设计。采集电路以TMS320LF2407A为CPU。TMS320LF2407A是TI公司专为实时控制而设计的高性能16位定点DSP器件，指令周期为33ns，其内部集成了前端采样A/D转换器和后端PWM输出硬件，在满足系统实时性要求的同时可简化硬件电路设计。

3.1电压采集电路设计

本设计以锂离子动力电池为管理对象。电池组由8块3.6V锂电池组成。每个电池单体的额定电压为3.6V充满时端电压为4.25V。要求电压采集精度控制在1.5%以内。电池管理系统要求的最低采样频率为20ms。

系统采用线性光耦作为隔离和数据采集系统的信号传递采样器件，这样就将前端的每一节电池的电压隔离出来。将电池的大电压按一定比例缩小，以便将电池变化的电压值如实地反映给DSP。其后需经过多路开关进入微处理器进行计算。光耦隔离的优点是速度快（光耦的速度是微秒级，远小于继电器的毫秒级），实时性要好。另外光耦两端的信号在电气连接上完全隔离，不存在任何关系，所以即使在光耦的输出端发生短路也不会给电池的使用造成任何影响。光耦将电压信号转换为电流信号进行采集，解决了共地问题。与电压传感器相比，光耦的性价比更高。

在选择器件的时候，我们考虑到经济性和实用性，光电祸合器选择了日本东芝公司生产的TLP521，运算放大器选择的双运算放大器TL082。

电池单体的电压测量电路如下图3-1所示。