摘  要： 針對使用多串鋰電池組的便攜式電動工具，設計了一個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、過放保護、短路保護、溫度報警、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，完全達到了便攜式電動工具鋰電池管理系統(tǒng)的設計要求。

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

0 引言

　　近年來，動力鋰電池憑借其優(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[1]，也使它成為便攜式電動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，由于鋰電池的化學特性和單體電池的不一致性可能會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，本文研究并設計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、上位機通信等功能。

1 鋰電池管理系統(tǒng)的硬件設計

　　本系統(tǒng)設計采用日本羅姆公司的前端數(shù)據(jù)采集芯片ML5238負責對電池組各項數(shù)據(jù)進行采集，ML5238是針對多串鋰電池組的數(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，同時具有多個可編程中斷和可編程看門狗定時器，擁有兩個UART接口和1個I2C總線接口以及豐富的外設資源，非常適合鋰電池管理系統(tǒng)的設計。

　　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)動外部MCU，同時也實現(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對電池組各項數(shù)據(jù)進行采集并回傳給MCU。MCU接收到各項數(shù)據(jù)后進行處理，若電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)超過預先設置的保護閾值，則啟動過放、過充、過流、溫度等相關(guān)故障保護。若電壓數(shù)值達到預先設置的電池均衡閾值，則啟動電池均衡。最后MCU通過SOC算法，估算出剩余電量并直觀顯示出來。

　　1.2 電壓采集電路設計

　　鋰電池管理系統(tǒng)需要精確測量出串聯(lián)電池組中每個單體電池的電壓，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中的高頻分量，穩(wěn)壓二極管則能很好地保護芯片，這樣可以穩(wěn)定精確地測量電壓數(shù)據(jù)。

　　1.3 電流采集電路設計

　　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為通過軟件設置的電壓增益放大倍數(shù)。由于在電池組充電和放電時電流是相反的，為了避免出現(xiàn)負電位，本系統(tǒng)IMON管腳以1 V作為0電流的電壓參考點。所以電流即可通過式（1）計算得出。

　　1.4 電池均衡電路設計

　　鋰離子電池雖然憑借優(yōu)良的性能被廣泛使用，但在實際應用中，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，長時間使用后肯定會出現(xiàn)單體電池過充或過放現(xiàn)象，從而導致電池組不能正常工作甚至有安全危險。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)比較復雜、成本高。耗散式均衡雖然存在能量浪費，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)主要針對便攜式電動工具，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，在每個電池旁都并聯(lián)一個電阻均衡電路實現(xiàn)電池均衡。為了達到更好的均衡效果，本系統(tǒng)可在軟件中設置均衡開啟電壓值、均衡開啟電壓差、均衡結(jié)束電壓差和均衡時間這些參數(shù)，當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)出指令開啟對應電池的開關(guān)MOS功率管實現(xiàn)電池均衡，當均衡后電壓值滿足均衡結(jié)束電壓差和達到均衡時間后，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)均衡電流最大可達到100 mA。

2 鋰電池管理系統(tǒng)軟件設計

　　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)開啟后會從內(nèi)部Flash中讀取程序并設定各項參數(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)果超過設定閾值則啟動相應的過充、過放、過流、電池均衡等保護機制。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)也可通過上位機來讀取各項采集數(shù)據(jù)以及設置各項參數(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。實驗前人為對各單體電池進行放電，以便驗證系統(tǒng)電壓檢測精度和電池均衡效果。對放電后的8串電池組進行監(jiān)測，電壓顯示于上位機界面中，如圖6所示。上位機中還會顯示電流、溫度等數(shù)據(jù)，各項故障保護的次數(shù)也會被上位機記錄，此時SOC顯示為20%。

　　接著對8串電池組進行充電，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。此時系統(tǒng)會檢測出需要均衡的單體電池并依次進行均衡。

　　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，達到了電池均衡的設計要求。此時SOC顯示為100%，表明充電完成。為驗證系統(tǒng)電壓測量精度，使用萬用表測量得各單體電池的真實電壓值，對人為放電后檢測的電壓值和真實值處理分析，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)設計要求。

4 結(jié)束語

　　隨著使用鋰電池組的電動工具的不斷增加，鋰電池組管理系統(tǒng)成為必不可少的一部分。本文設計了一套適用于便攜式電動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，可達到±5 mV，本系統(tǒng)還具有電池均衡、SOC估算和多種故障保護等功能，具有很好的應用價值。

　　參考文獻

　　[1] 吳宇平，萬春榮，姜長印.鋰離子二次電池[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2002.

　　[2] 楊飛.磷酸鐵鋰動力電池管理系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學，2010.

　　[3] 陳仕俊，鄭敏信，滿慶豐.基于STM32和LTC6803的電池管理系統(tǒng)設計[J].電源技術(shù)，2015，39（2）：280-283.

　　[4] 李哲，盧蘭光，歐陽明高.提高安時積分法估算電量SOC精度方法的比較[J].清華大學學報，2010，50（8）：34-39.

　　[5] 張金龍.動力電池組SOC估算及均衡控制方法研究[D].天津：天津大學，2011.

　　[6] 黃勤.串聯(lián)鋰電池組無損均衡管理方案設計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2011，37（12）：226-229.