引言

隨著鋰離子電池技術(shù)的飛速發(fā)展，其在便攜式電子設(shè)備、電動汽車、空間技術(shù)、國防工業(yè)等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于鋰離子電池具有高電壓、高容量、循環(huán)壽命長、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，由若干節(jié)鋰離子電池串聯(lián)組成的動力鋰離子電池組成為了這些領(lǐng)域的核心能源。然而，每節(jié)單體電池的電壓可能不一致，使用中不允許過充電或過放電，且電池性能受溫度影響較大，這使得對串聯(lián)鋰離子電池組的監(jiān)測變得尤為重要。本文旨在介紹一種基于單片機(jī)的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實(shí)時、準(zhǔn)確地監(jiān)測單體電池電壓和電池組溫度，確保電池組在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。

系統(tǒng)設(shè)計概述

本系統(tǒng)以51系列單片機(jī)為主控單元，通過差分放大器、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及溫度傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)對串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和溫度的在線監(jiān)測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)，具有較高的精度和可靠性。整體系統(tǒng)由核心控制模塊、狀態(tài)采集模塊、信號調(diào)理模塊、報警及處理系統(tǒng)模塊組成，可通過RS485接口與PC機(jī)組成分布式監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一臺PC機(jī)監(jiān)測多個串聯(lián)電池組。

核心控制模塊

核心控制模塊采用51系列單片機(jī)，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)通過接收來自狀態(tài)采集模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時分析，當(dāng)檢測到單體電池電壓或電池組溫度超出預(yù)設(shè)范圍時，啟動報警程序，并通過控制策略如風(fēng)扇冷卻或加熱電路，確保電池組正常工作。

狀態(tài)采集模塊

狀態(tài)采集模塊主要負(fù)責(zé)單體電池電壓和電池組溫度的采集。電壓采集部分采用差分放大器INA117，該器件具有高共模抑制比和低失真特性，適用于高精度的電壓測量。由于串聯(lián)電池組的共地問題，設(shè)計中通過合理布局，使各INA117的1腳共地，確保信號的準(zhǔn)確傳輸。通過多選一模擬開關(guān)MUX16，將16節(jié)鋰離子電池的單體電壓依次送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣。

溫度采集部分采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度傳感器，該傳感器具有測溫范圍廣、精度高、易于組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中每隔一節(jié)鋰離子電池在總線上掛接一片DS18B20，設(shè)置8個溫度監(jiān)測點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對電池組溫度的全面監(jiān)測。

信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊負(fù)責(zé)對采集到的電壓和溫度信號進(jìn)行預(yù)處理，以便進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。電壓信號通過INA117差分放大后，直接接入MUX16模擬開關(guān)，通過單片機(jī)的控制信號，選擇對應(yīng)的單體電池電壓進(jìn)行采樣。溫度信號則直接由DS18B20轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過單總線與單片機(jī)通信。

報警及處理系統(tǒng)模塊

當(dāng)單體電池電壓或電池組溫度超出預(yù)設(shè)范圍時，報警及處理系統(tǒng)模塊啟動相應(yīng)的報警程序，進(jìn)行聲、光報警，并通過控制策略如風(fēng)扇冷卻或加熱電路，調(diào)整電池組工作環(huán)境，確保電池組安全。同時，系統(tǒng)還會記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)故障分析和維護(hù)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測試

硬件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件部分主要包括單片機(jī)、INA117差分放大器、MUX16模擬開關(guān)、MAX1272 A/D轉(zhuǎn)換器、DS18B20溫度傳感器、風(fēng)扇控制電路等。通過合理的電路設(shè)計和PCB布局，實(shí)現(xiàn)了各模塊之間的穩(wěn)定連接和信號傳輸。

軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件部分采用C語言編寫，主要包括初始化程序、數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)處理程序、報警處理程序和通信程序等。初始化程序負(fù)責(zé)設(shè)置單片機(jī)的IO口、定時器、中斷等;數(shù)據(jù)采集程序負(fù)責(zé)控制MUX16和DS18B20進(jìn)行電壓和溫度數(shù)據(jù)的采集;數(shù)據(jù)處理程序負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、校準(zhǔn)等處理;報警處理程序負(fù)責(zé)判斷數(shù)據(jù)是否超出預(yù)設(shè)范圍，并啟動相應(yīng)的報警和控制策略;通信程序負(fù)責(zé)將處理后的數(shù)據(jù)通過RS485接口傳輸給PC機(jī)。

系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試包括單元測試、集成測試和系統(tǒng)測試三個階段。單元測試主要對各模塊進(jìn)行獨(dú)立測試，驗(yàn)證其功能是否正常;集成測試則將各模塊連接在一起，測試各模塊之間的通信和協(xié)作能力;系統(tǒng)測試則對整個系統(tǒng)進(jìn)行全面測試，驗(yàn)證系統(tǒng)的整體性能和可靠性。經(jīng)過測試，系統(tǒng)能夠可靠、準(zhǔn)確地監(jiān)測串聯(lián)鋰離子電池組的單體電壓和溫度，并在異常情況下及時報警和處理。

結(jié)論

本文介紹了一種基于單片機(jī)的串聯(lián)鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用差分放大器、模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及溫度傳感器等元件，實(shí)現(xiàn)了對單體電池電壓和電池組溫度的在線監(jiān)測。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、精度高和可靠性高的特點(diǎn)，能夠確保串聯(lián)鋰離子電池組在安全范圍內(nèi)運(yùn)行，延長其使用壽命。隨著鋰離子電池技術(shù)的不斷發(fā)展，該系統(tǒng)在電動汽車、儲能系統(tǒng)以及便攜式設(shè)備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。