摘  要： 針對(duì)使用多串鋰電池組的便攜式電動(dòng)工具，設(shè)計(jì)了一個(gè)智能鋰電池組管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ML5238為前端采集芯片，單片機(jī)ML610Q488為核心控制器。該系統(tǒng)可監(jiān)測5~16串鋰電池組，并具有電壓采集、電流采集、溫度采集、過充保護(hù)、過放保護(hù)、短路保護(hù)、溫度報(bào)警、剩余電量估算、電池均衡等功能。經(jīng)測試表明，該系統(tǒng)具有良好的測量精度及穩(wěn)定性，完全達(dá)到了便攜式電動(dòng)工具鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

　　關(guān)鍵詞： 電池管理系統(tǒng)；便攜式電動(dòng)工具；ML5238；電池均衡

0 引言

　　近年來，動(dòng)力鋰電池憑借其優(yōu)良的性能，逐步取代了鉛蓄電池而被廣泛使用。鋰電池具有體積小，能量密度高，循環(huán)使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)[1]，也使它成為便攜式電動(dòng)工具的首選電池能源。但是在串聯(lián)鋰電池組的使用過程中，由于鋰電池的化學(xué)特性和單體電池的不一致性可能會(huì)造成鋰電池組的過充、過放、高溫等現(xiàn)象，從而影響鋰電池組的工作狀態(tài)甚至導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。所以為了保證串聯(lián)鋰電池組的安全、有效使用，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于前端采集芯片ML5238的鋰電池管理系統(tǒng)[2-3]，該系統(tǒng)具有電池組數(shù)據(jù)采集、剩余電量（State Of Charge，SOC）估算[4]、電池均衡、電池組故障保護(hù)、上位機(jī)通信等功能。

1 鋰電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用日本羅姆公司的前端數(shù)據(jù)采集芯片ML5238負(fù)責(zé)對(duì)電池組各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，ML5238是針對(duì)多串鋰電池組的數(shù)據(jù)采集芯片，其在正常工作狀態(tài)下功耗僅為50 μA~100 μA，掉電狀態(tài)下更是僅有0.1 μA~1 μA的超低功耗。本系統(tǒng)主控芯片采用羅姆公司的8位低功耗微控制器ML610Q488，ML610Q488內(nèi)置48 KB可編程FLASH ROM、2 KB的Data RAM、4通道12位高精度ADC，同時(shí)具有多個(gè)可編程中斷和可編程看門狗定時(shí)器，擁有兩個(gè)UART接口和1個(gè)I2C總線接口以及豐富的外設(shè)資源，非常適合鋰電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　1.1 鋰電池管理系統(tǒng)硬件框圖

　　本系統(tǒng)由前端數(shù)據(jù)采集芯片ML5238和單片機(jī)ML610Q488組成，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。ML5238內(nèi)置了3.3 V低壓差線性穩(wěn)壓器，可以直接驅(qū)動(dòng)外部MCU，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了高低壓隔離的作用。ML5238與ML610Q488之間通過SPI總線相連，根據(jù)ML610Q488的指令，ML5238對(duì)電池組各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并回傳給MCU。MCU接收到各項(xiàng)數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，若電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)置的保護(hù)閾值，則啟動(dòng)過放、過充、過流、溫度等相關(guān)故障保護(hù)。若電壓數(shù)值達(dá)到預(yù)先設(shè)置的電池均衡閾值，則啟動(dòng)電池均衡。最后MCU通過SOC算法，估算出剩余電量并直觀顯示出來。

　　1.2 電壓采集電路設(shè)計(jì)

　　鋰電池管理系統(tǒng)需要精確測量出串聯(lián)電池組中每個(gè)單體電池的電壓，精確的電壓測量精度是防止過放、過充的保證，同時(shí)精確的電壓測量精度也能提高SOC算法的估算精度。圖2所示為串聯(lián)鋰電池組電壓采集電路。ML5238根據(jù)MCU的命令采集到電池組的電壓信號(hào)并通過VMON引腳輸出，MCU再通過A/D轉(zhuǎn)換得到電池電壓值。圖2中的RC低通濾波電路消除了電壓信號(hào)中的高頻分量，穩(wěn)壓二極管則能很好地保護(hù)芯片，這樣可以穩(wěn)定精確地測量電壓數(shù)據(jù)。

　　1.3 電流采集電路設(shè)計(jì)

　　電流是電池組工作狀態(tài)的重要參數(shù)之一，是直接判斷是否出現(xiàn)過流的依據(jù)，也是安時(shí)積分法估算剩余電量的重要參數(shù)，所以電流檢測的精度也直接決定了SOC算法估算的精度。本系統(tǒng)電流采集電路如圖3所示，在ISM和ISP管腳間接入捕捉電阻R1，ML5238通過將捕捉電阻R1兩端的電壓差放大10倍或者50倍后從IMON管腳輸出，MCU通過A/D轉(zhuǎn)換采集到電壓值。IMOM管腳輸出的電壓值由式（1）給出：

　　VIMON=（I×R1）×GIM+1.0（1）

　　其中VIMON為MCU得到的電壓值，R1為電流捕捉電阻的阻值，GIM為通過軟件設(shè)置的電壓增益放大倍數(shù)。由于在電池組充電和放電時(shí)電流是相反的，為了避免出現(xiàn)負(fù)電位，本系統(tǒng)IMON管腳以1 V作為0電流的電壓參考點(diǎn)。所以電流即可通過式（1）計(jì)算得出。

　　1.4 電池均衡電路設(shè)計(jì)

　　鋰離子電池雖然憑借優(yōu)良的性能被廣泛使用，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于串聯(lián)電池組中各單體電池存在差異，在相同的充放電電流下，長時(shí)間使用后肯定會(huì)出現(xiàn)單體電池過充或過放現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電池組不能正常工作甚至有安全危險(xiǎn)。所以必須在鋰電池管理系統(tǒng)中加入電池均衡的功能[5-6]。

　　目前電池均衡技術(shù)按照均衡的能量消耗方式主要分為耗散式均衡和非耗散式均衡。耗散式均衡主要是把高電量電池的能量通過電阻消耗掉達(dá)到均衡。非耗散式均衡主要是通過能量轉(zhuǎn)移的方法把高電量電池的能量轉(zhuǎn)移到低電量的電池上。非耗散式均衡雖然有效利用了能量，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、成本高。耗散式均衡雖然存在能量浪費(fèi)，但是電路結(jié)構(gòu)簡易，發(fā)熱量也很小。綜合考慮本系統(tǒng)主要針對(duì)便攜式電動(dòng)工具，電池組工作電流不大，所以選擇采用耗散式均衡技術(shù)。

　　本系統(tǒng)的電池均衡電路如圖4所示，在每個(gè)電池旁都并聯(lián)一個(gè)電阻均衡電路實(shí)現(xiàn)電池均衡。為了達(dá)到更好的均衡效果，本系統(tǒng)可在軟件中設(shè)置均衡開啟電壓值、均衡開啟電壓差、均衡結(jié)束電壓差和均衡時(shí)間這些參數(shù)，當(dāng)各單體電池電壓值滿足均衡開啟電壓值和均衡開啟電壓差后，MCU則發(fā)出指令開啟對(duì)應(yīng)電池的開關(guān)MOS功率管實(shí)現(xiàn)電池均衡，當(dāng)均衡后電壓值滿足均衡結(jié)束電壓差和達(dá)到均衡時(shí)間后，MCU則發(fā)出指令關(guān)閉MOS功率管來中斷電池均衡。本系統(tǒng)均衡電流最大可達(dá)到100 mA。

2 鋰電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　鋰電池管理系統(tǒng)的硬件搭建完成后，系統(tǒng)的控制和各種故障保護(hù)功能及SOC估算則要通過MCU來完成。本系統(tǒng)軟件總流程圖如圖5所示，系統(tǒng)開啟后會(huì)從內(nèi)部Flash中讀取程序并設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)。接著系統(tǒng)開始依次檢測各單體電池電壓、溫度和電流值。若檢測結(jié)果超過設(shè)定閾值則啟動(dòng)相應(yīng)的過充、過放、過流、電池均衡等保護(hù)機(jī)制。經(jīng)過SOC算法得出的剩余電量將通過5顆LED燈直觀顯示出來。系統(tǒng)也可通過上位機(jī)來讀取各項(xiàng)采集數(shù)據(jù)以及設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)。

3 系統(tǒng)測試及分析

　　系統(tǒng)測試選用8串14500磷酸鐵鋰電池組，單體額定電壓為3.2 V，單體額定容量為700 mAh。實(shí)驗(yàn)前人為對(duì)各單體電池進(jìn)行放電，以便驗(yàn)證系統(tǒng)電壓檢測精度和電池均衡效果。對(duì)放電后的8串電池組進(jìn)行監(jiān)測，電壓顯示于上位機(jī)界面中，如圖6所示。上位機(jī)中還會(huì)顯示電流、溫度等數(shù)據(jù)，各項(xiàng)故障保護(hù)的次數(shù)也會(huì)被上位機(jī)記錄，此時(shí)SOC顯示為20%。

　　接著對(duì)8串電池組進(jìn)行充電，在充電過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示，由于事先的人為放電，電池組電壓出現(xiàn)不一致的現(xiàn)象，隨著充電的繼續(xù)這種不一致性將繼續(xù)放大。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)檢測出需要均衡的單體電池并依次進(jìn)行均衡。

　　充電完成后的電壓監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8所示，電池組各單體電池電壓值已經(jīng)趨于一致，達(dá)到了電池均衡的設(shè)計(jì)要求。此時(shí)SOC顯示為100%，表明充電完成。為驗(yàn)證系統(tǒng)電壓測量精度，使用萬用表測量得各單體電池的真實(shí)電壓值，對(duì)人為放電后檢測的電壓值和真實(shí)值處理分析，結(jié)果如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)的電壓測量精度均在±5 mV內(nèi)，完全滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

　　隨著使用鋰電池組的電動(dòng)工具的不斷增加，鋰電池組管理系統(tǒng)成為必不可少的一部分。本文設(shè)計(jì)了一套適用于便攜式電動(dòng)工具的鋰電池組管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)最高可監(jiān)測16串鋰電池組，具有很高的電壓測量精度，可達(dá)到±5 mV，本系統(tǒng)還具有電池均衡、SOC估算和多種故障保護(hù)等功能，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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