微控制器的锂电池监测系统

东南大学成贤学院电子与计算机工程学院 许继伟 邵 腾 吕诗璐

新能源汽车在国家政策下的得到巨大的发展。广大的购车人士在购买新能源汽车的时候往往会关注汽车能源方面的问题。由于锂电池具有高比能，循环次数多，自然放电率低等优点成为大部分新能源汽车的主要选择。根据最新的调研数据：表明国的新能源汽车销量有明显地提升，速度增长呈现为上升趋势，在所有销售的新能源汽车三元锂电池一度高达70%，在对用户地调研中发现，购车人士在买车时对于电池技术过硬、电池安全性及续驶里程长的比例分别达到44.6%、42.2%、42.2%。由此可知，人们对电池技术和安全性的重视。锂电池具有良好的性能指标，单节的锂电池能达到3.7V～4.2V，随着电池方面的储能技术的提升和生产工艺改进。涉及锂电池的充放电的专用芯片在用电设备上是十分常见，但是这些芯片往往需要配上额外的电路才能使用，也只能提供了一些充放电管理和简单的保护。这些只能满足于些小型设备，像新能源汽车这些对充电和放电两个环节尤其重要并要求精度高的大型设备无法满足。

在市场的芯片分为单独使用的和带微机控制接口的。一种只能简单实现对电池的充放电的保护，另一种能实现与处理设备一同工作，也能参与更加复杂的工作，便于更好的检测。由于这些芯片是集成化的，功能发面往往具有单一化，导致灵活性差，严重的限制芯片在电池检测方面的使用。

1 方案设计

利用单片机、PLC技术和电力电子技术融合。能够设计出一个对锂电池智能检测系统（如图1）。电力电子器件有良好的性能，它们可以有效地降低锂电池在充电时的功率损耗。单片机将采集A/D数据（充放电时的电池电压和电流值）并转化为数字信号，便于精确知道电源中的参数情况，也会采集温度等信号并进行监控，同时也将采集的数据上传到微控制器进行处理。依据单片测定这些参数对电池的充电状态，剩余电量的计算，同时也能利用PLC技术对电池的充放电状态进行检测和控制，对充放电的电压电流和温度异常分析和处理。在电力电子，PLC，单片机的组合下，提高了对电源监控的分析和处理性能，避免发生电池故障，提高电池的安全系数。

图1 单片机对电池的检测模型

2 实验步骤

2.1 对电池的充电的测定（如图2）

图2 锂电池的充电过程

对电池充电曲线的测定，方便我们在监测锂电池充电电压电流进行比较，也会对参数发生变化的趋势提供参考。

2.2 温度监测模块

温度监测模块使用的是ML X90614作为红外探头，连接到单片机上，收集温度数据。MLX90614一款无接触式的红外线温度感应芯片，避免与电池接触，对监测电池发生局部发热的弥补。监测的范围为-20°C～120°C，精度为0.14。精度很高，对温度的变化很敏感。对电池的安全性有巨大的保证。

2.3 充电保护和电路监测

对于充电保护采用的是芯片TP4056。TP4056是对于单个电池的充电保护，集成程度较高，也有对电池充电的温度也有一定控制，在充电时的电流也会根据电池容量进行一定的改变，保证电池较高的效率。pcf8591是将电路中的充放电是电流电压的进行采集，在一定的条件下，计算电池中的剩余电量。

2.4 串口通信和上位机的控制

将单片机采集的数据进行简单地处理。保存在单片机内，利用单片机的串口通信的功能，将储存的数据上传到上位机。上位机接受的数据进行处理并分析，将接受的剩余电量的数据和电路中的参数，计算出还需要多少时间。上位机也会显示数据并用波形显示充电曲线，根据上面的曲线进行比较，突出充电的出现的警报状态，持续报警时间过长或当某个重要的参数达到警戒值后断开充电。也会对电池的温度进行监测，当温度到一定的时可以启动风扇进行降温。在降温后如果还是持续升温，会利用电力电子器件将断电处理。在上位机显示各种数据，可以向操作人员提供参考。

3 实验结果

编写代码，将电压、电流和温度等一些参数由模拟信号，采集编码成数字信号和利用参数计算一些例如剩余电量，也会连接风扇和电力电子器件。利用串口将采集的数据上传到上位机。我们用visual studio编写上位机。将单片机上传地数据进行采集编码，主要的问题是将单片机上传数据流转变成有用的数据，所以在数据上传地时候，设置标识符来保证单片机上传地数据有用。提高数据有效性，将这些采集的数据进行计算，绘出电流的波形和预计充电时间。在计算预计时间时要根据电池充电的波形进行比较。这样可以有效的减少充电过程电压电流变化影响的时间误差。在放电低于预定放电的值时，上位机会发送停止充电的信号，然后利用电力电子器件来实现对断电指令。

结论：本次实验是对于单节电池各项性能指标监测。电池在充放电的过程中进行采集数据，分析并操控单片机对电池管理。但是产品也有些不足的地方，在本次实验上我只是做了单节，而没有进行电池组的实验。尤其是在电池损坏后，进行电流分配的问题。我们的实验成品可以进行一定变化，去适应各种情况。最近些年有许多火灾是电瓶充电发生的故障。造成大量的人员伤亡和财产损失。我们的产品可以避免这种情况的发生，保证人们的生命财产安全。成本低廉，易于实现，适用于大多数大中小需求锂电池，也可以拓展技术要求高的设备等。为了满足更多的需求，本设计还需要创新更多实用功能。