一种基于MSP430F5529的锂电池组均衡方法及实现

张惠玲，周金治，郑 希

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

一种基于MSP430F5529的锂电池组均衡方法及实现

张惠玲，周金治，郑 希

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

锂电池组因单体电池之间的不一致，长期使用后将导致电池荷电状态出现差异，这种不均衡将使整个电池组效率降低。设计了一种基于SPI通信、以MSP430F5529与Bq76PL536为核心的锂离子电池组均衡管理系统，通过电阻分流的均衡方式，实现单体电池之间的电压均衡，提高电池组的使用寿命和安全性能。

锂离子电池组；电池均衡管理；MSP430F5529；Bq76PL536

锂电池在串接使用时，由于批次、电池质量等自身原因或在使用过程中个别电池电芯的损坏，会使电池组在长期使用后，各电芯的容量有所差异。在没有均衡管理的情况下，这种个体差异会越变越大，造成在同样大小电流的情况下，容量大的电池电芯处于浅充浅放状态，电芯容量衰减得比较缓慢，使用寿命更长；而容量小的电芯却总处于过充过放状态，电芯容量衰减得较快，使用寿命缩短[1]。由于最差电芯的寿命决定整个电池组的使用寿命，因此需通过优化设计和均衡管理，减少这种差异并提高电池组的综合性能，使电池能量得到充分利用。

锂电池放电曲线相对平坦，必须非常准确地检测其端电压和温度等参数，防止电池过充或过放，以确保电池工作环境安全可靠[2]。本文提出了一种以MSP430F5529单片机和Bq76PL536芯片为核心的锂离子电池组均衡管理系统，实现对18节磷酸铁锂离子电池端电压、温度的实时监测与显示。

1 系统硬件设计

该锂电池均衡管理系统主要由中央处理单元、数据采集与均衡单元、键盘以及LCD显示模块组成。主控制器MSP430F5529通过SPI同步通信监测电池组的状态，并对各测量模块的数据进行分析和处理，然后经LCD实时显示。数据采集模块对单体电池电压、温度值进行采样，将信息传回中央处理单元并与系统设置的报警点进行比对，根据判断结果实施相应电阻分流均衡控制，另外可通过按键对电池分组和显示数据进行选择，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

1.1 主控制器与Bq76PL536的SPI通信

系统选用的主控制器MSP430F5529，功耗较低、处理能力强大，具有丰富的片上外围模块及方便高效的开发方式等特点。其内置12位A/D转换器，有异步和同步(UART/SPI)两种模式串行通讯接口，可直接使用JTAG口进行程序的下载或者在线调试，操作简单方便。单片机通过SPI同步通讯口读取电池监控芯片Bq76PL536采集的电压、温度信息，实现对电池组充放电均衡管理。主从晶振频率分别为8 MHz和32.768 kHz，P1口、部分P2口用来实现LCD显示，部分P8口进行报警控制，部分P3口和P4口用来实现SPI通信。

图2 系统电路原理

本设计采用MSP430F5529自带的SPI口读取电压信号，可以简化电路设计，提高电路可靠性，也降低了系统成本。如图2所示，Bq76PL536与MSP430F5529的串行模块USART0直接相连，将USART0配置成SPI工作模式进行数据传输。由单片机的STE端口实现从设备的片选功能，在SCLK端口时钟脉冲控制下，SDI与SDO则基于此脉冲完成数据传输。FAULT和ALERT作为警报点的设置端口，对系统起保护作用。待系统上电后，启动电池监控芯片，测量电池电压数据并开始读取电压值，再通过数据缓冲器SN74LVC245ADW实现数据的写入与读取，可提高系统的驱动能力，使系统设计简单明了。

1.2 电压采集与均衡电路设计

锂电池的充放电状态对应于电池的端电压，因此电压是一个非常重要的参数。目前常用的电压检测方法有飞度电容法、电阻分压法、运算放大器差分放大法等。但上述方法都存在一定的缺点，比如外部器件复杂、采样频率低、采样误差大等。本设计采用的电池监控芯片Bq76PL536是一款可堆栈3～6节串联锂电池组的保护器与模拟前端(AFE)，高度整合了高精度模数转换器(ADC)；具有独立电池电压、温度保护功能，电池平衡技术以及为用户电路供电的高精度5 V稳压器，可针对过压、欠压及过温情况提供全面保护[3]。该芯片集成了电压转换与高精度模数转换器系统，通过图2中的精密电阻R2能够高度精确、快速地测量电池单元电压。

锂电池作为电源使用时需将多个电池进行串并联连接，由于各节电池内部特性不一致，电池在充放电过程中也会出现不一致，将降低整个电池组的利用率和使用寿命[4]。因此必须采取有效的均衡方法，使各个电池能够达到均衡一致的状态，避免过充和过放。本文均衡电路的设计采用基于Bq76PL536的电阻分流法，是一种典型的能量耗散型均衡策略，这种方法电路简单，可靠性高。图2中所示为一个单体电池的均衡电路，其余电池单元均衡方式可以此类推。将芯片通过端口VC(i)分别测得的各单元电池电压值与电池组平均电压进行比对，若高于平均值则发送高电平至端口VB(i)，开启作为放电控制开关的P沟道增强型场效应管Q1(i)，电阻R1开始以500 mA的电流对原始信号进行放电；反之则关闭Q1 (i)，电阻R1停止放电，如此循环检测，实现组内电池单元之间的均衡放电。

1.3 可变级数的多级级联电路设计

TI公司生产的电池监控芯片Bq76PL536每片可同时连接6个电池单元，通过简单级联，最多可同时测试192节电池。本文设计的均衡管理系统需要实现18节磷酸铁锂电池的电压、温度测量，因此需采用三片芯片来完成设计。如图2中所示，Bq76PL536通过N级、S级端口实现级联，主从芯片之间通过SPI通信完成数据的传输。该系统在TI公司提供的三片Bq76PL536级联评估板(EVMs)设计基础上进行了电路改进，通过详细对比三片IC外围电路，综合考虑主芯片需要与MCU进行SPI通信以及主、从芯片主界面使能端口(HSEL)接高电平、低电平等不同点，设计出了适用于所有IC的电路原理图，大大增加了系统的通用性。并可通过拨码开关实现级数的选择，操作简单，可扩展性强。

2 系统软件设计

管理系统主控板采用IAR软件开发平台，通过JTAG口编译下载程序到单片机MSP430F5529中，并可实现程序在线调试。系统的软件设计主要包括以下子程序：主程序、Bq76PL536均衡管理程序、SPI通信、按键扫描以及LCD液晶显示程序等，流程如图3所示。系统上电后初始化相关硬件设备；进行键盘扫描判断是否有按键按下；接着采样电压、温度、电流等相关信息并进行数据处理；判断是否出现过充现象，若超过安全阈值则发出警报信号；判断单体电池电压是否高于平均值，若是则实施相应电阻分流均衡管理；最后将数据发送至主控制单元并通过LCD实时显示。

图3 软件设计总体框图

3 系统调试结果

实验所用三洋牌锂电池单体电池标称电压为3.7 V，容量为2 600 mAh。系统上电后通过Bq76PL536对电池电压进行实时采集，如表1所示，以一个采集板采集6节电池数据为例进行说明。本次设计的均衡时间是10 min，系统持续15 min上电采集数据后发现表1中2#电池的电压从3 718 mV降到了3 670 mV，图4中的柱状图更能直观清晰地看出经过均衡处理后电池组6节电池电压之间基本实现了均衡。

4 结束语

本文的研究工作围绕锂电池均衡管理系统进行，设计了一种以MSP430单片机和电池监控芯片Bq76PL536为核心的电阻分流式均衡管理系统，实现了对18节磷酸铁锂电池端电

表1 电池均衡前后电压测量数据

压及温度的实时检测与显示。主要工作在于根据原有电路级联评估板进行了电路改进，设计出了适用于所有IC的电路原理图，增加了系统的可扩展性和通用性。通过系统软硬件联机调试，电压实时检测和均衡电路都达到了较好的效果。设计的不足之处是采用电阻分流的均衡方案，消耗电源能量，且只能实现单体电池高电压向平均电压转移，不能实现电压低的单体电池的均衡。

图4 均衡前后电池电压值

[1]张金顶，王太宏，龙泽，等.基于MSP430单片机的12节锂电池管理系统[J].电源技术，2011，35(5):514-516.

[2]王天福，刘强，李志强.动力锂电池组充放电智能管理系统设计与实现[J].电源技术，2011，35(9):1069-1071.

[3]宋海飞，曹亚.一种新颖的动力电池均衡方法研究[J].电力电子技术，2013，47(4):6-8.

[4]HSIEH Y H,LIANG T J,CHEN S M.A novel high-efficiency compact-size low-cost balancing method for series-connected battery applications[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2013,28(12):5927-5939.

Balancing method and implementation for lithium batteries based on MSP430F5529

ZHANG Hui-ling,ZHOU Jin-zhi,ZHENG Xi
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

Due to the inconsistencies among cells for lithium batteries,long-term use will cause discrepancies to the state of charge,and the imbalance will reduce the efficiency of entire battery pack.A lithium-ion battery equalization management system was designed based on SPI communication with MSP430F5529 and Bq76PL536 as the core. The balance way of resistance-shunting was used to achieve the voltage balance among each cell and improve the service life and safety performance of the battery pack.

lithium-ion batteries;battery equalization management;MSP430F5529;Bq76PL536

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1652-02

2015-01-12

四川省重点实验室开放基金(13zxtk07)；西南科技大学研究生创新基金(14ycxjj0116)

张惠玲(1989—)，女，四川省人，硕士研究生，主要研究方向为锂电池管理系统。