基于MAX11068芯片的锂离子电池管理系统的设计

王保柱，王 倩，陈书旺，安胜彪

(河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018)

近年来，节能和环保问题变的日益突出，锂离子电池由于其具有能量密度高、自放电率小、无记忆效应等优点迅速成为市场的主流产品，它的工作电压每节高达3.2～4.2 V[1]。如果充电后使得单体电池的电压超过一定值就会使电池内的电解质被分解，严重时引起爆炸，所以其操作的安全性和可靠性需要有效控制。对电池管理系统的管理是有效措施之一，该电池管理系统的职能就是实时监测电池组的电压、电流、温度等，防止过充过放现象的发生，保证电池组自身的安全性[2-4]。

1 系统基本功能介绍

MAX11068芯片和单片机之间通过I2C通信，MAX11068将采集到的数据存储在内部寄存器里面[5]。单片机通过总线访问相应的寄存器读取数据，然后对相应的数据作进一步处理。系统最大能够同时检测12节串联电池组的电压，对于少于12节电池的电池组，经过简单处理也可以采用系统介绍的方法来保护电池组。系统能够实现的功能包括：过充保护、过放保护、温度保护、电池的均衡功能[6]。可以通过串口芯片将采集到的数据发送到上位机，通过上位机软件实时查看电池的电压状态，方便管理和维护。

2 系统硬件设计

系统的电路示意图如图1所示，MAX11068是电压采集模块,系统的MCU起到管理和控制整个系统的关键作用。NTC是负温度系数传感器，CHARGE为充电口，DISCHARGE为放电口。由单片机的I/O接口间接驱动，放电口和充电口是相互独立、分开的。系统按模块可以分为电压采集和均衡模块，温度采集模块，电流采集模块及MCU。

图1 系统示意图Fig.1 System diagram

2.1 电压采集和均衡模块

实现精准的单体电压测量是整个电池管理系统的核心，为均衡功能的实现提供良好的基础。电压采集模块以MAX11068为核心，配以外围器件[7]。由于芯片可以采用级联的方式对电池进行检测，所以在没有级联的情况下对一些引脚做一些特殊处理,电压的采集模块电路图如图2所示。

图2 电压采集的模块和均衡模块Fig.2 Voltage acquisition module and equalization module

1)电压采集原理 MAX11068模拟前端由12路电压测量数据采集系统组成，带有高压开关输入单元。在低于107 μs的时间内可以完成12节电池的测量。MAX11068采用二次扫描架构采集电池数据并对它们进行误差修正。扫描的第1阶段为数据采集，对所有12节电池的电压进行采样；第2阶段为误差修正，对ADC输入进行斩波，消除误差。

2)电池均衡原理 动力锂离子电池一般由几串、几十串甚至几百串组成。电池在生产过程中，由于工艺问题和材质的不均匀使电池内部结构和材质上的不完全一致，使得每组电池的电压、内阻、荷电状态不一致，就会产生这样或那样的差异[8-9]。由于个体差异的存在，导致电池充电时容量小的容易过充，放电时容量小的又容易过放，容量变得更小,从而进入恶性循环。因此要求保护电路能够完成电池单元的均衡操作。均衡的原理是从具有较高电压的电池抽取多余的电流，消耗多余的电量，实现电池均衡，延长电池组的使用寿命，增加安全性。目前常用的均衡方法有储能均衡和电阻均衡2种[10]。

电阻均衡一般是通过控制器控制电阻网络的通断对电池组进行分流均衡，这种方法可以同时对多节电池进行均衡，控制简单。系统对热管理要求较高，需要进行温度检测。电阻均衡的原理是在电池组充电的过程中，当某节电池充电速度较快，其电压高于其他电池，系统通过开关或者继电器控制均衡电阻的导通分流，降低电池的充电速度，使得各节电池在充电过程中均衡一致。

该系统采用的电阻均衡方法原理图如图3所示。

当MAX11068检测到某一节电池的电压到达一定值时，芯片开启内部该节电池的NMOS管，NMOS管开启以后，该节电池电流经由R1，R3回到电池的负极。R1，R3通过热耗从而降低电池的电压，均衡电流为55 mA。

2.2 电流、温度采集模块

电流采集模块采用2个电阻并联，并联的电阻串联在放电回路中。检测采样电阻两端的电压，经放大器放大后，和基准电压进行比较，判断是否过流和短路，电压放大电路原理图如图4所示。

图3 均衡电路原理图Fig.3 Equalization circuit

图4 采集电流信号放大电路Fig.4 Harvesting current and signal amplifying circuit

放大器采用的型号是MCP4041，运算放大器的放大系数为2.7。保护板的过流保护值是80 A，短路保护电流是180 A。过流保护时，采用电阻两端电压是0.4 V，经放大器放大后的电压是1.08 V；短路保护电阻两端的电压是0.9 V，经放大器放大后的电压是2.43 V，比较器的电路原理图如图5所示。

图5 比较器电路Fig.5 Comparison circuit

图6 温度检测电路Fig.6 Temperature detection circuit

经过放大后的信号输入比较器，这里比较器采用的是TLV3492，比较器供电电压是3.4 V。若过流电压大于基准电压，则在比较器的输出端输出高电平，单片机检测到高电平就采取过流保护措施。若过流电压大于2.33 V，则比较器的输出端输出高电平，单片机检测到高电平时，就会采取短路保护措施。

在充放电过程中使电池温度升高，但是过高的温度会引起电池的恶化、缩短电池的使用寿命，从而容量会慢慢变小。因此要将电池的温度控制在合适的范围内。温度检测采用MF58105H 负温度系数传感器，单片机直接采集热敏电阻两端的电压，到达设定值时，采取温度保护措施，温度检测电路如图6所示。

2.3 电池组信息的处理与显示

单片机和检测芯片是通过I2C协议进行通信[11-13]，I2C总线是PHLIPS公司推出的一种串行总线，包括总线裁决和高低速器件同步功能的高性能串行总线。I2C总线只有2根双向信号线。一根是数据线SDA，另一根是时钟线SCL。每个接到I2C总线上的器件都有唯一的地址，主机与其他器件间的数据传送可以是由主机发送数据到其他器件，这时主机即为发送器，由总线上接收数据的器件则为接收器。

上位机软件用VB语言编写[14-16]，对采集到的数据进行处理和显示，使人们能够直观地看到MAX11068采集到的数据，同时能通过上位机软件方便地处理一些数据。通过上位机也可以给系统发送一些简单的控制命令，在系统的调试过程中有很好的效果和作用。

3 系统的软件设计

软件功能分为初始化部分、数据处理和控制部分，初始化的部分包括单片机应用外围模块的初始化，例如系统时钟初始化，AD采样端口初始化。数据处理和控制部分通过单片机来完成的各种数据的处理。系统采用顺序轮回的方法，根据系统采样频率，顺序执行每一部分对每个系统的功能进行检测，处理相应问题。对每一节电池是否过充、是否过放进行判断有无报警信号的产生。当单片机所采集到的单体电压值到达均衡电压点时，开启均衡寄存器对应的开关，系统流程图如图7所示。

图7 系统流程图Fig.7 System flow chart

4 实验结果

实验时采用的是10节磷酸铁锂电池串联构成电池组，以上述理论为基础，完成锂电池管理系统的设计，并进行实验验证。

本研究所设计的锂离子电池管理系统实现了对电池组的电压、电流、温度等信息的实时监测(见表1、表2)，单体电压误差小于10 mV。该设计系统保持了整个电池组运行的可靠性和高效性，实验证明该系统的设计是可行的。

表1 单体电池电压采集Tab.1 Single battery voltage acquisition序号电压/V014.051024.050034.052044.065054.069序号电压/V064.067074.070084.064094.067104.055表2 锂离子电池管理系统参数设置Tab.2 Parameter setting of lithium battery management system参数数值切断电压上下限/V4.25～2.50切断电流上下限/A40～80切断温度上下限/℃50～80均衡启动电压/V4.1单体电压压差告警/mV20

5 结 语

基于MAX11068芯片的锂离子电池管理系统的设计满足了锂离子电池保护的需要，过电压、过电流和温度保护的应用以及均衡模块的实现让锂离子电池动力汽车在实际的运行中更加安全可靠。系统测试表明该系统运行良好，具有可靠性高的特点。锂离子电池均衡算法的优化在一定程度上延长了电池组的使用寿命，但是均衡模块对单体电池的能量转移效率还有待提高。

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