一种低功耗锂电池智能管理器设计

张秋艳，王兆华，高平安，汪易

（1.榆林学院 能源工程学院，陕西 榆林 719000；2.榆林市气象局，陕西 榆林 719000）

0 引 言

由于锂电池自放电率低，体积小，能量比高等优点，越来越受到人们的青睐，尤其近年来能源消耗越来越大，电动汽车已经渐渐兴起，而锂电池由于其突出优点，而成为电动汽车动力源的新秀。为了确保动力锂离子电池的安全可靠运行、避免发生着火、爆炸等危险，必须为锂离子电池配备智能、高效的电池管理系统进行有效的安全性和可靠性管理。通过电池管理系统，可以对电池组进行有效的监控和管理，提高电池组的使用效率和使用寿命，从而降低运行成本，增强电池组的可靠性。因此，本设计以MSP430 为控制核心，通过对锂电池电压、电流、温度等参数的实时采集，并对其进行分析处理，设计过压过流等保护电路，保证锂电池的安全运行，并将运行信息实时显示，同时通过Wi-Fi 上传到服务器、手机APP 等便携式显示终端，实现锂电池智能控制的远程监测。

1 总体方案设计

锂电池智能管理系统由采样端，主控制器，输出端三部分组成。其中，采样端包括电压采集，电流采集，温度采集等检测环节，主要收集电池安全运行的基本信息以及用户操控信息等；主控制器选用16 位单片机MSP430G2553，该芯片不仅功耗低，而且内嵌A/D 转换，避免了系统使用专用模数转换芯片带来的功耗，从而降低系统整体功耗，主控制器对采集到的电池信息进行分析与处理，并发送给输出端，进行电池的过压过流保护等控制；输出端为LCD 显示器以及Wi-Fi 单元设计，实现人机交互信息功能等，系统总体方案设计如图1所示。

图1 系统结构框图

2 主要硬件电路设计

系统主要硬件电路包括电源电路、电压/电流/温度采集电路、显示电路、电路防反接过压过流保护电路、Wi-Fi通讯电路等。

2.1 电源电路设计

MSP430G2553 单片机供电电源只需要3.3 V，本设计采用性价比较高的LM1117-3.3 稳压芯片。如图2所示，在输入电压滤波时采用极性电容C1（47 μF）和非极性电容C2（0.1 μF）并联对其滤波，在输出电压滤波时采用极性电容C3（47 μF）和非极性电容C4（0.1 μF）并联对其滤波.通过这种方式减少高低频的干扰信号，使其平稳的输出3.3 V 的稳定电压。

图2 电源电路

2.2 温度采集电路

设计温度数据采集使用DS18B20 数字温度传感器，该芯片采集的温度数据发送至单片机内，避免了使用A/D转换专用芯片，从而降低系统功耗。硬件连接电路如图3所示，R9 是一个上拉电阻，它连接于单片机的端口和外部提供的电源VCC 之间，保证测温工作正常稳定运行，温度参数经DS18B20 传感器处理后，由DQ 输出端传输到主控制器P2.3 端口，从而完成锂电池温度数据的采集工作。

图3 温度采集电路

2.3 电压/电流采集电路

由于MSP430 单片机最高承受电压为3.3 V，且其ADC设计参考电压为3.3 V，而锂电池通常电压均高于3.3 V，因此直接对锂电池电压进行采样将烧毁单片机，因此，需要对锂电池进行分压设计后对再对电压进行采样。硬件电路如图4所示，BAT+接电池的正极，BAT-接电池的负极，CA0 接主控制器的2 号端口，为减少对电池电量的消耗，本次设计分压电路使用k 欧姆级电阻，使用两只10 kΩ 电阻对电池进行分压，所得电压为1/2 电池电压，在单片机对电压进行采样后，计算时乘2 即可得到电池电压，实现电压检测电路设计。

图4 电压/电流采集电路

电流信号的采集由采样电阻与运算放大器共同完成。由于ADC 无法直接对电流进行采样，需将电流转换为电压信息后才可对数据进行采样。为了缩小系统整体体积，降低系统功耗，本次设计使用0.05 Ω/3 W 的采样电阻R2 对电流进行采样，该电阻阻值极小，误差只有1%，且容许最大电流为8 A，已超过单个18650 锂电池电流极限，完全能够完成采样工作。通过电流采样电阻R2 的电压信号从A 端进入，所采集的电压信号从放大器的1 号引脚输入，4 号引脚输出接到主控制器的3 号引脚CA1 端口。由于采样电阻阻值较小，因此，即使大电流流过，其两端电压仍然较低，使用ADC直接对小电压采样得出结果误差非常大，因此，将采集到的电压信号放大一定倍数之后，再对其进行A/D 转换，从而提高转换精度。本设计中，信号放大倍数与R4，R5 两个电阻阻值相关，其放大倍数为1+R4/R5=48 倍。

2.4 防反接过压过流保护电路

为了防止过电压、过电流地对锂电池的安全运行造成影响，设计了电池防反接过压过流保护电路，如图5所示。电池分压电路防过压过流采用MOS 管来控制电路的接通或者断开，由主控制器分析采集到的电压信号，如果工作电压处于正常范围，那么就会给S1端输出高电平信号，MOS管导通，整个电路正常工作；若检测出来的电压信号接近或者超过限制的最高电压值，那么给S1 端一个低电平信号，MOS 管关断，电路处于断路，从而达到了保护电池的安全目的。

图5 保护电路

3 系统软件设计

整个系统以MSP403 为控制核心，锂电池电压、电流、温度等参数进行采集与处理，主流程如图6所示。首先对各个模块进行初始化，然后进行采集将数据送至单片机处理，处理过的数据一方面通过LCD 显示器显示，另一方面通过Wi-Fi 无线数据通信可使用手机实时监测。

图6 主流程图

3.1 信号采集模块

电压/电流信号是模拟量，需对其进行A/D 转换，为了降低系统功耗，采用MSP430 内部AD 模块实现模数转换，避免使用专用的模数转换芯片，且主控制器是16 位处理器，转换精度高，速度快，能够完成电压/电流信号的处理，转换后的电压/电流信号经主控制器进行分析，若瞬时电压/电流大于正常工作值，则发送控制指令，启动保护电路；温度采集电路采用数字DS18B20，无须A/D 转换，且在处理数据时为高速状态，闲暇时，为低速模式，故进一步降低了系统功耗。

3.2 Wi-Fi 联网模块

为实现实时监控电池状态，本设计拟采用无线通信平台对电池数据进行传输。无线通信平台本次设计使用一体化物联网平台——机智云平台进行设计，使用机智云平台包括网页端以及手机端设计，网页端需使用开发者账号登录，手机端应安装由机智云提供的手机端APP，系统设计步骤有：

（1）通用APP 的安装。机智云通用APP 是为机智云平台上的智能硬件产品提供的通用简版APP，依于这个平台用户可以自己开发项目软件，进入通用APP 在注册完用户后就会弹出一个设备连接页面；（2）ESP8266 机智云专用固件烧写。下载机智云版本ESP8266 专用固后，使用串口调试器将Wi-Fi 模块与电脑连接，依据机智云手册中规定的设置进行数据传输，实现无线网络上传的功能。（3）建立产品：Wi-Fi 固件刷新后，需于机智云端建立产品，产品名称为锂电池智能管理系统；（4）建立数据节点：本次数据共有三组，第一组为电池电压信息，数值型数据，范围为0 ～5 V，第二组为电池电流信息，数值型数据，范围为0 ～10 A，第三组为电池温度信息，数值型数据，范围为-55 ℃～125 ℃。数据节点建立完毕，即可设置Wi-Fi 端实现与系统的通信。

Wi-Fi 通信程序流程设计如图7所示，首先连接机智云服务器，并等待服务器返回的数据，完成后，发送简历产品时生成的PK 码与密钥，该产品码以及密钥唯一，密钥为通信加密密码，十分重要。服务器确认产品后，系统可依次发送电压，电流，温度信息，实现数据的上传，上传完成后，可继续发送下一帧数据，无须重复发送PK 码以及密钥匙。

图7 Wi-Fi 通信程序

通过对服务器端以及系统端设计，实现了无线网络数据上传的功能，从而对锂电池工作状态在线远程监测。

4 系统调试

根据上述硬件设计和软件搭建测试平台，系统上电后，分别登录手机APP 以及服务器端，装入待监控锂电池，由系统测试待监控锂电池各项数据，检测结果如表1所示，其中，锂电池电压为，电流为，温度为。经测试，该系统可实时远程监测锂电池的电压/电流/温度等各项状况。

表1 测试结果

5 结 论

本系统以MSP430 为控制中心，对锂电池电压/电流/温度参数进行在线检测，并设计锂电池过电压、过电流防反接保护电路，通过Wi-Fi 通信技术，实现信息的远程便携式监测，即可电脑终端监测，又可手机APP 随时随地便携式的监测。且系统设计中，选用低功耗主控制器MSP430、使用内嵌A/D 转换模块、数字温度传感器、系统间歇式工作方式等多种方法降低系统功耗。实验结果表明，该系统具有运行稳定、成本低、监测便携等特点，对锂电池的安全运行及应用推广都具有很好的参考意义。