蓄電池是一種以放電方式輸出電能，以充電方式吸收、恢(hui)複(fu)電(dian)能(neng)的(de)電(dian)源(yuan)。由(you)鋰(li)離(li)子(zi)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)構(gou)成(cheng)的(de)低(di)壓(ya)電(dian)源(yuan)，是(shi)水(shui)下(xia)機(ji)器(qi)人(ren)係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)關(guan)鍵(jian)設(she)備(bei)。對(dui)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)維(wei)護(hu)管(guan)理(li)不(bu)當(dang)將(jiang)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)鋰(li)離(li)子(zi)電(dian)池(chi)的(de)使(shi)用(yong)效(xiao)益(yi)和(he)壽(shou)命(ming)
，甚(shen)至(zhi)直(zhi)接(jie)損(sun)壞(huai)鋰(li)電(dian)池(chi)，從(cong)而(er)影(ying)響(xiang)水(shui)下(xia)機(ji)器(qi)人(ren)整(zheng)體(ti)性(xing)能(neng)，嚴(yan)重(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)還(hai)會(hui)導(dao)致(zhi)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)安(an)全(quan)事(shi)故(gu)。通(tong)過(guo)在(zai)線(xian)測(ce)量(liang)鋰(li)離(li)子(zi)動(dong)力(li)電池組的參數
，可以及時了解鋰離子電池的工作狀態、工作特性及鋰離子電池需要維護情況
，因而鋰離子動力電池的在線監測係統的研製勢在必行。

 

為了實現鋰離子動力電池參數的監測，首選需要設計參數采集模塊，將鋰離子動力電池的電壓
、電流
、溫度等參數采集出來，同時上傳到帶有A/D 轉換模塊的單片機中
，對這些數據進行記錄和顯示。

 

 

本係統采用分散數據采集和集中數據處理
，分別設計電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路，然後把數據都輸送到單片機進行集中處理。係統結構圖如圖2-1所示。

 

圖2-1.係統結構圖

 

本係統監測的對象是國家863 項目水下機器人係統的鋰離子動力電池組
，用的是深圳雷天科技生產的TS-LFP160AHA 型號的鋰離子動力電池，電池組由8 塊單體電池組成。需要監測每塊單體電池的端電壓，並做出過壓
、欠壓判斷;需要多點測溫度
，監測每塊電池的溫度以及電池組所處環境的溫度、濕度;由於8 塊單體電池串聯，所以隻需要測出串聯電流，並做出過流判斷。

 

本文采用了TMS320LF2407A 芯片。采用此芯片作為電池監測係統的CPU 還體現在以下幾個方麵：

 

1.節jie能neng
，節jie能neng已yi經jing成cheng為wei現xian代dai電dian子zi設she備bei設she計ji的de一yi個ge熱re點dian問wen題ti。當dang設she備bei由you二er次ci電dian池chi來lai作zuo為wei電dian源yuan的de時shi候hou，節jie能neng問wen題ti則ze變bian得de更geng加jia突tu出chu和he重zhong要yao。本ben設she計ji使shi用yong的deDSP 由3.3V 電源供電，減小了控製器的損耗。芯片電源管理包括低功耗模式，能獨立將外設器件轉入低功耗模式。

 

2.16 通道輸入的A/D 轉換器。這一點對於多路采集子電路很有意義。可以直接將采集電路的輸出接到DSP 的A/D 轉換通道。而不必在DSP 外麵再設A/D 轉換電路。

 

3.40 個可單獨編程或複用的輸入輸出引腳。可用於安全開關及其它外設電路的控製。

 

4.串行通信接口（SCI）和16 位串行外設接口模塊（SPI）可以接監測係統的顯示部分。

 

 

係統的硬件設計主要包括電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集電路設計。采集電路以TMS320LF2407A 為CPU。TMS320LF2407A 是TI 公司專為實時控製而設計的高性能16 位定點DSP 器件
，指令周期為33ns
，其內部集成了前端采樣A/D 轉換器和後端PWM 輸出硬件，在滿足係統實時性要求的同時可簡化硬件電路設計。

 

3.1 電壓采集電路設計

 

本設計以鋰離子動力電池為管理對象。電池組由8 塊3.6V 鋰電池組成。每個電池單體的額定電壓為3.6V 充滿時端電壓為4.25V。要求電壓采集精度控製在1.5%以內。電池管理係統要求的最低采樣頻率為20ms。

 

xitongcaiyongxianxingguangouzuoweigeliheshujucaijixitongdexinhaochuandicaiyangqijian
，zheyangjiujiangqianduandemeiyijiedianchidedianyagelichulai。jiangdianchidedadianyaanyidingbilisuoxiao，yibianjiangdianchibianhuadedianyazhirushidifanyinggeiDSP。其後需經過多路開關進入微處理器進行計算。光耦隔離的優點是速度快（光耦的速度是微秒級，遠小於繼電器的毫秒級），shishixingyaohao。lingwaiguangouliangduandexinhaozaidianqilianjieshangwanquangeli，bucunzairenheguanxi，suoyijishizaiguangoudeshuchuduanfashengduanluyebuhuigeidianchideshiyongzaochengrenheyingxiang。guangoujiangdianyaxinhaozhuanhuanweidianliuxinhaojinxingcaiji
，jiejuelegongdiwenti。yudianyachuanganqixiangbi，guangoudexingjiabigenggao。

 

在選擇器件的時候，我們考慮到經濟性和實用性，光電禍合器選擇了日本東芝公司生產的TLP521，運算放大器選擇的雙運算放大器TL082。

 

電池單體的電壓測量電路如下圖3-1 所示。

 

圖3-1.單體電池電壓采集電路

 

VIN 即電池單體電壓
，經過R1與光耦中的發光二極管形成回路，將電壓信號（VIN）轉換為電流信號（ I11）。I11與I21有一定比例關係I11∝ I21。UU1 在這裏作為比較器使用。當A點電壓Va大於B 點電壓Vb，UU1 就輸出高一些的電壓值，當A 點電壓Va低於B 點電壓Vb，UU1 就輸出低一些的電壓值。在整個電壓采樣電路中，比較器形成一個反饋。使A、B 兩點的電壓值保持一致。這樣做的目的是B 點電壓顯然是15∕2=7.5v， Va= Vb =7.5v，說明上下兩個光耦中的三極管導通情況一樣。這樣，三極管的導通情況是受控於發光二極管的。可知當I21= I22時
， I11= I22。這樣，VIN∕= I11= I22= Vout∕R4。可見Vout 與VIN 成比例。

 

3.2 電流采集電路設計

 

鋰離子動力電池組所有電池單體串連組成整個供電係統，隻設置一個電流采集點即可。

 

本文采用霍爾電流傳感器采集。

 

霍爾電流傳感器的原理圖如3-2。被測電流In流過導體產生的磁場
，由通過霍爾元件輸出信號控製的補償電流Im流過次級線圈產生的磁場補償，當原邊與副邊的磁場達到平衡時其補償電流Im即可精確反映原邊電流In值。

 

圖3-2 霍爾電流傳感器原理圖

 

本係統選用的是宇森CBH100SF 型號的閉環霍爾電流傳感器。測量頻率是0-100KHz，額定電流100A
，測量範圍：0-±150A

，匝數比1:1000
，精度0.2%-1%，相應時間：《lus。結構如圖3-3 所示：

 

圖3-3 CHB100 外型和連接圖

 

其中采樣電阻Rm 采用精密電阻取樣
，推薦選用低溫漂（不大於2ppm）高精度的金屬膜電阻;因為寄生電感較大的原因
，在高頻采樣場合，應避免采用精密線繞電阻。取樣電阻&TImes;副邊輸出電流額定值應小於電源電壓，差值大於4V。采樣電阻的功率必須足夠，Rm=30Ω。

 

3.3 溫度采集電路設計

 

在zai電dian池chi剩sheng餘yu電dian量liang的de計ji算suan中zhong，電dian池chi的de工gong作zuo溫wen度du是shi一yi個ge重zhong要yao的de影ying響xiang因yin素su。除chu此ci之zhi外wai，在zai判pan斷duan電dian池chi安an全quan和he熱re處chu理li方fang麵mian也ye需xu要yao實shi時shi采cai集ji溫wen度du參can數shu。本ben設she計ji中zhong
，既ji設she計ji了le8 節單體電池的溫度信號采集，也設計了對於環境溫度的實時采集。

 

本係統是采用了熱敏電阻進行電池本身的溫度檢測。與電橋電路結合，將溫度信號反映為電壓信號。電路如圖3-4。

 

圖3-4 單體電池溫度采樣電路

 

其中RMDZ1 是shi熱re敏min電dian阻zu，使shi用yong它ta主zhu要yao是shi考kao慮lv到dao性xing價jia比bi高gao，而er且qie它ta的de體ti積ji小xiao連lian接jie線xian長chang，可ke直zhi接jie貼tie在zai電dian池chi單dan體ti的de外wai殼ke上shang。缺que點dian就jiu是shi線xian性xing度du不bu好hao。電dian池chi溫wen度du的de檢jian測ce主zhu要yao是shi對dui上shang下xia兩liang個ge界jie限xian溫wen度du的de報bao替ti，和he計ji算suan電dian池chi間jian的de溫wen差cha，找zhao出chu異yi常chang電dian池chi。不bu牽qian扯che函han數shu與yu複fu雜za計ji算suan的de問wen題ti
，對dui線xian型xing度du要yao求qiu不bu高gao，所suo以yi使shi用yong熱re敏min電dian阻zu可ke以yi滿man足zu需xu求qiu。

 

環境溫度的測量選用一種新穎的溫度傳感器LM35，其特點是輸出電壓與環境攝氏溫度成正比

，集成電路內部己經校正

，無需外部校正。靈敏度為10.0mV/℃
，精度可達0.5℃，工作電壓範圍4V-30V，耗電極少，輸出阻抗低。自此使用LM35 滿量程［55℃，150℃］連接方法。為了防止零下溫度時，輸出負壓
，不便於采樣到DSP 中，設計了一個減法器電路。調整為環境溫度在［-45℃

，75℃］範圍內，輸出電壓是［0
，4.5V］。

 

 

本係統的軟件設計采用DSP（TMS320LF2407A）C 語(yu)言(yan)編(bian)程(cheng)，實(shi)行(xing)模(mo)塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)
，增(zeng)加(jia)了(le)程(cheng)序(xu)的(de)可(ke)讀(du)性(xing)和(he)移(yi)植(zhi)性(xing)。本(ben)設(she)計(ji)主(zhu)要(yao)以(yi)水(shui)下(xia)機(ji)器(qi)人(ren)使(shi)用(yong)的(de)鋰(li)離(li)子(zi)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)為(wei)研(yan)究(jiu)對(dui)象(xiang)而(er)設(she)計(ji)，同(tong)時(shi)力(li)求(qiu)能(neng)夠(gou)有(you)更(geng)好(hao)的(de)兼(jian)容(rong)性(xing)，即(ji)換(huan)作(zuo)其(qi)它(ta)電(dian)池(chi)不(bu)需(xu)要(yao)改(gai)動(dong)硬(ying)件(jian)

，隻(zhi)需(xu)改(gai)動(dong)軟(ruan)件(jian)，甚(shen)至(zhi)盡(jin)可(ke)能(neng)小(xiao)地(di)改(gai)動(dong)軟(ruan)件(jian)即(ji)可(ke)使(shi)用(yong)。對(dui)於(yu)本(ben)係(xi)統(tong)而(er)言(yan)，控(kong)製(zhi)軟(ruan)件(jian)應(ying)滿(man)足(zu)如(ru)下(xia)要(yao)求(qiu)：

 

采集電流、電壓
、溫度等信號
，判斷電池的故障信號
，進行處理並采取相應的保護措施，顯示故障信息。

 

模擬數據的采集包括電池單體電壓
、電流、電池單體溫度、環境溫度。其中電壓采集是需要由控製模擬多路開關來完成，各個單體電池電壓值分時進入DSP
，要求采集同一時刻的電壓與電流。充分利用TMS320F2407A/D 模塊，一次采集四個量：電壓、電流、電池溫度、環境溫度，利用循環完成對電池組中多個電池的模擬量采樣。

 

 

本文針對鋰離子動力電池組的特性和測試要求
，設計了基於TMS320LF2407A 的監測係統
，提出了分散數據采集與集中數據處理的方案，給出了電池監測係統電壓、電流、溫度采集的軟硬件方案
，搭建了單體電池數目可達8 節的電池監測係統底層采集模塊框架。

 

在此基礎上可以方便地將電池信息采集到DSP 中進行記錄和電池狀態的估測判斷，並通過CAN 網絡與中心控製器通信
，形成完整的電池監控係統。

 

benketidezhuyaoyanjiuneirongzaiyudianchijiancexitongzhengtifangandeshejiheyingjiandianludesheji。qihexinshifensanshujucaijiyujizhongshujuchulixiangjiehedefangan。fenbiecaijidantidianchidedianya、電路、溫度，將這些基本信息送到DSP 中進行集中的、綜合的分析
、處理。硬件設計的重點是幾個采集電路的設計以及DSP xiaoxitongzaijiancexitongzhongdeyingyong。dianyacaijidianluzaibaozhengxingnengdejichushang，juyoulinghuoxinghemingxiandejiageyoushi。tongdaojiandeganraohecaijisududoudedaogaishan。kemanzuxitongdeshishixingheceliangjingdudeyaoqiu。tongguozengjiawaishecaiyangbaochi，keyicaijidaotongyishikededianyahedianliu。dianchiguanlixitongdedianliu
、溫度采集，分別采用了霍爾大電流傳感器、熱敏電阻、霍爾溫度進行測量。