电动自行车用锂离子电池保护板的设计

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第 l 8卷第 1期 20 0 5年 3月

山

东科 学

V0 . 8 No 1 11 . Ma . 0 r2

S HA NDON S I N G C E CE

文章编号：0 24 2 (0 50 .0 20 10.0 6 20 ) 1 6 .4 0

电动自行车用锂离子电池保护板的设计张志贤刘培德，(. 1山东大学，山东济南 20 0; . 5 10 2山东经济学院，山东济南 20 1 ) 5 04

摘要：文根据电动自行车用锂离子电池保护板的特殊要求设计了一种锂离子电池保护板，现了对大容量本实锂离子电池的充、电保护。放 关键词：电动自行车；离子电池保护板；锂电量平衡中图分类号：N 0 T 49文献标识码： A

1引言 由于人们对环保问题认识的加深，使得电动自行车正在逐步替代摩托车，为人们的带步工具。现阶段成适合电动自行车用的电源主要有：酸类蓄电池、氢类电池、铅镍锂离子电池。关于三种电池性能的比较见表1

表 1三种电动自行车常用电池性能对比

有表 1可见锂离子电池具有工作电压高、体积小、重量轻、能量比高、循环寿命长、无记忆效应、自放电率低，可快速充电等优良性能，因此锂离子电池正在成为电动自行车用电池的理想选择。但是锂离子电池使用

中需要专用的安全保护电路，否则可能会引起电池的爆炸。并且如果大量锂离子电池串联使用，还会因为电池之间差异严重影响整个电池包的使用寿命。正是出于此目的，我们专门设计了电动自行车用的锂离子电

池保护板。本设计使用了两片 Xcr司的 X 1 i公 o 30 0锂离子电池专用保护 I c和深圳嘉玛特科技有限公司的A R结构的 8 V位单片机 G 1 1为主要元件。本保护板具有以下功能： C 38 () 1可设置的锂离子电池过充电保护电压；收稿日期：0 41.0 2 0 -22

作者简介：张志贤 (91,, 1一)男山东大学信息科学与工程学院在职申请硕士学位学员。研究方向：片机嵌入式系统设计。 7单

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张志贤，:等电动自行车用锂离子电池保护板的设计

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() 2可设置的锂离子电池过电流保护 (电过流、电过流 )充放； () 3可设置的锂离子电

池过放电保护电压； () 4可设置的过充、放、过过流保护时间； ( )0 m 5 10 A的充电平衡功能；

() 6精确的电量计算、指示功能；( )全的温度保护功能。 7安

2硬件设计硬件接线图如图 1所示。G 11通过 S I口分别 C38 P接

与两片 X 10 30进行通信，置 X 10的内部寄存器，取设 30读 X 10 3 0的状态标志。电池电压分别由两片 X 10过电 30经 平转换后送到 G 1 1 C 38的 A输入口。电流信号经过 DX 10内部可编程放大器放大后送到 G 1 1 30 C 3 8的 A D输入口，因为电流信号非常微弱，有时检测电阻两端的电压只

图 1硬件结构图

有几微伏，为提高采样精度，增加电路的抗干扰性能，电流检测回路采用开尔文连接方式。温度检测采用负

温度系数热敏电阻配合 G 11的 A C38 D输入完成。为提高电路的安全性，本设计中的 X 10 30在初始化后可以 根据内部寄存器设置自动完成对锂离子电池充、电保护，就可以避免由于 G 1 1放这 C 3 8的故障引起的保护失常，以把整体电路的无故障时间提高几个数量级。图中 G 1 1可 C 3 8提供的 S B S口在本方案中主要用于 MU接生产中自动调试、测试和参数设置。

由于控制电路主要由电池供电，以电路的低功耗设计成为方案设计一个重要内容。通过仔细分析电所路的工作过程，按实际功能把电路分为几个独立的模块，每个模块设计一个独立的供电控制开关，用只对使工作中模块供电，其他模块处于休眠状态，这样就最大限度的降低了电路的整体功耗，际测试本方案的正实常工作电流小于 10-,眠电流小于 0 5-。 5t休， A .t , A2 1 X 10内部结构 . 30 J

X 10 XC R公司的锂离子充放电保护专用 I。它内部集成了高精度的稳压电源、K Bt 30是 IO c 4 y e的 E P E—R M、制及状态寄存器、G Bl c驱动电路、、电 M SE O控 P A、a ne a充放 O F T驱动电路、电池充电过压和放电欠压保护电路、过流保护电路、多路模拟开关以及用于外围接口控制的 S I口等。其内部结构详见图 2 P接。

、

图 2 X 10内部功能框图 30

X 10电流检测方法： 30的为

提高电流的检测精度 X 10内部集成 P A电路， V S V S 30 G对 C1和 C 2之间的差分电压放大后的电流信号通过多路选择器输出，大倍数可通过寄存器设置选择 1、5 8、6放 0 2、0 10共 4种，这样我们就可以使用 1Bt A 0 i的 D就可获得 1Bt 6 i的电流分辨率。大幅度的降低了方案的总体成本。X1 30 0内部集成了 4路电平移位电路，以把串联的每节电池的电压都通过电平移位器变换到 0 5 O 可~ .V

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2O 0 5矩

的范围内，然后通过多路选择器输出给 G 11。 C 3 8最后内部还有 4 y的 E P O K Bt e E R M用于存储电池包的电化学参数、生产日期、号、编充放电参数等各种

与电池有关的变量。这样在电池包的充电过程中就可以根据电池包的设计规格通知充电器按规定的参数充电，大限度的发挥电池包的性能。最2 2 X 10的通信时序 . 3 0

对 X 10内部寄存器和 E P O的操作都是通过 S I口实现， 30 ER M P接读写操作的时序图详见文献[] 2。2 3 G 3 8内部结构 . C11

G 11是深圳嘉玛特科技有限公司开发的、门配合 X 10实现智能电池包管理控制的、 V C 38专 30 A R结构的

8位单片机。其内部集成了 S B S .接口、 M U 20 1 0位分辨率的 A D转换器、E L D驱动电路，P通信接 H,6 bt SI 1K y e的支持在线更新的 F A H R M。G 1 1设计的主要目的是用于 3 L S O C 38节或 4节锂离子电池的充放电保护。本方案中利用 G 1 1 C 38的内核，在控制方法上稍作更改用于 8节锂离子电池的充放电管理。

G 11具有如下特点， C 38可根据用户的设置自动累计电池包的电量，行电量单位换算 ( A进 m H和 r H) l。 W可根据用户的初始设置自动完成对 X 10始化操作。内部集成有 P L电路， 30初 L使用单一的 3 .6 k的外 2 78H.部时钟，内部系统用高速时钟信号由此时钟倍频产生，这样可降低系统的功率消耗，高了整体方案的 E 提 MC指标。

G 11内部集成了最新的 S B S .通信协议【, C38 M U 20 4信号时序详见[]] 3。协议规范详见文献[] 4。

3软件设

计3 1 X 10的初始化功能模块 . 30

本模块完成对 X 10的初始化操作， 30包括 X 10电时序的控制， 30上状态寄存器的读写、制寄存器的读控写。设定 X 10的过放电保护电压、 30过充电保护电压、过放电电流、设置充放电 M S E O F T状态和平衡 M S E OFT的状态等。32平衡功能 .

电动自行车电池包内有 8节锂离子电池串联使用，是电池之间的特性不可能完全一致，但这样充电过程中容量大的电池就可能永远无法充满，而容量小的电池就可能过充电，响了电池包的整体性能，影电量平衡电路就可以调节不同电池的充电速率，在容量偏差不太大时保证所有的电池都可以完全充满，提高了电池包的整体性能。G 11通过以下方式实现平衡功能的。首先判断电池包是否处于充电状态， C38只有在充电状态

下才打开平衡功能，然后测试每节电池的电压，判断电压最大值和最小值的偏差，差超出规定的数值则打偏开电压高的电池对应的平衡 M S E, O F T降低对应电池的充电速率。这样一直持续到所有电池之间的电压偏差都在规定的数值内时则关闭所有平衡 M S E。 O F T3 3过充电保护 .

充电过程中定时读取每节电池的电压值，当某节电池的电压超出设定的过充电保护电压，启动延时定则时器，同时 G 11实时采集每节电池的电压， C38如该电池电压又小于设定值则关闭并清空定时器退出过压状态，如定时器溢出时该电池电压仍大于设定的过充电电压则关闭充电 MO F T S E。然后仍改为周期性的检测

每节电池电压，当每节电池的电压都小于设定的过充电释放电压时再启动定时器，如定时器溢出时每节电池电压还都小于过充释放电压则打开充电 M S E, O F T允许对电池包充电。34过放电保护 .放电过程中当检测到某节电池的电压小于过放电电压时，启动延时定时器，如定时器溢出时该电池电压

仍小于过放电电压则关闭放电 M S E。此后继续定时检测每节电池的电压，电压大于过放电释放电压 O FT当

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张志贤，电动自行车用锂离子电池保护板的设计等：

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时则打开放电 M S E。如电继续下降， O FT当电压降低到 S E P电压时则通知 X 10 LE 30

进入 S. P模式， I. F E同时关闭稳压电源输出。35过电流保护 .

设计采用两级电流保护模式：C 38 G 11的可设置的电流保护模式和 X 10内部电流保护模式。当 X 10 30 30进入过流保护时，将在 O P V管脚输出 7 5. .u A的恒定电流用于测试外部负载，当外部负载大于 20￣, 30 5 k X 10将退出过流保护模式。 3 6充放电温度控制 .锂离子电池充电和放电过程都有严格的温度要求，度过高电池有爆炸的危险，温温度过低由于锂离子的

活动性变差，又会影响锂离子电池的寿命，合多方面考虑本设计中采用的温度范围为充电一0~ 0放综 2℃ 6℃,电一01 5,[ 1" - 0,。 2 1 2

37电量的计算和显示 .

设计中利用 G 11测量电池的工作电流和工作电压， C 38自动累计电池包的容量，当用户要求了解电池包

的现有容量，可通过按键触发 L D指示电池包容量， E也可通过 S B S口精确读取电池包的电量。 MU接38生产自动测试模块 .

G 11 C 38内部还集成了 S B S M U通信模块，可是电动自行车的电池包使用中一般不需要 S U MB S通信，本设计对此稍作修改，配合标准的 S B S M U通信工具，用作电池包的自动调试、测试，方便批量生产。软件设计采用了模块化的结构形式，软件流程如图 3所示。c t 1￣始化， 3s/ c

X 10电时序控制 30上A

温度嗣量温度正常？—、

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设置充放电M S E状态 o FT

电流测试

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图 3软件流程图

4小结本文设计的电动自行车的锂离子电池保护板在使用不仅保证了锂离子电池充放电的安全性，而且也很好的解决了保护板自身的功耗问题，本方案设计的产品正常工作模式下工作电流下于 1o, 0休眠模式下的电流更是达到下于 05水平。在部分电动自行车厂家的使用中获得了一致的好评。 . (下转第 7 1页)

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王学军，:资源实时监控管理系统等水

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际使用中，系统运行稳定、可靠，具有良好的应用前景。

参考文献：[]彭东主编 . Q e e 20 1 S LSr r

00应用开发技术指南[ .京： v M]北清华大学出版社，0 1 20 . []曹承志编著 .型计算机控制新技术[ . 2微 M]北京：机械工业出版社， 0 . 2 1 0 []汪蒲阳编著 .特网应编程[]北京： 3因 M.清华大学出版社， 0 . 2 0 0 []邬宽明编著 .A 3 C N总线原理和应用系统设计[ .京：京航空航天大学出版社，96 M]北北 1 9

[] S 0 aS e[] Ht:W .g c . m. 4 J 1 0Dt he Z . t W W zm uc A 0 a t p l o

(上接第 6 5页 )

参考文献：[]吴字平，编著 .离子电池应用与实践[]北京： 1等锂 M .化学工业出版社， 0 2 4 0[] X 1 a set e .[ .i r I .20 . 2 30 D the R v11M]Xc . c, 2 0 a o n 0 [] G 11 Dt he.e10M]Gm a m eh L . 0 . 3 C 38 a s t v .[ .a m e mTc . t 2 3 ae R o d 0 [] Ss m M ngm n BsS B S Sei ao e . z .00 4 yt aae et u(M U ) pci tn r 0]20 . e f i V 2 c

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