列尾電池?cái)?shù)字化管理設(shè)計(jì)分析

1、列尾電池?cái)?shù)字化管理設(shè)計(jì)分析 列尾電池是列尾裝置的供電電源，對(duì)列車的行車安全具有重要意義。設(shè)計(jì)了一個(gè)基于C8051F901單片機(jī)和電池管理芯片bq20z45的列尾電池?cái)?shù)字化系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有電池?cái)?shù)字化管理功能：監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，包括電池的電壓、電流和溫度，預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài)，管理電池的工作情況。通過(guò)對(duì)沖放電過(guò)程電池各個(gè)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和對(duì)電池剩余電量的預(yù)測(cè)，避免了電池的過(guò)度的充放電和電池過(guò)熱，以便最大限度地利用電池的電荷儲(chǔ)存能力和循環(huán)壽命。支持智能（數(shù)字）電池HDQ16總線，該單總線技術(shù)是由一根線與其他設(shè)備進(jìn)行通信，能雙向傳輸數(shù)據(jù)，可以節(jié)約系統(tǒng)資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)功能和技術(shù)

2、指標(biāo)，能夠滿足列尾裝置供電需求。 一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 數(shù)字化列尾電池主要由串聯(lián)電池組、電池信息采集單元、控制單元、通信單元等部分組成（鮑可進(jìn)，C8051F單片機(jī)原理及應(yīng)用：中國(guó)電力出版社，2006；嚴(yán)加朋，蓄電池電量計(jì)量與管理系統(tǒng)的研究：東北大學(xué)，2011；羅光毅，蓄電池智能管理系統(tǒng)：浙江大學(xué)，2003；陳志楚，潘峰，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)：湖北汽車工業(yè)學(xué)院，2013）。該方案原理框圖如圖1所示。數(shù)字化列尾電池管理單元對(duì)電池組單元的信息數(shù)據(jù)采集之后進(jìn)行信息數(shù)據(jù)處理并作出相應(yīng)的動(dòng)作包括電池平衡、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)溫度保護(hù)等（鮑可進(jìn)，C8051F單片機(jī)原理及應(yīng)用：中國(guó)電力出版社，2006）；數(shù)字化列尾

3、電池管理單元通過(guò)SMBUS總線與微控制單元進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)微控制單元對(duì)數(shù)字化列尾電池管理單元的控制功能；微控制單元與外部設(shè)備通過(guò)HDQ16總線進(jìn)行通信實(shí)現(xiàn)讀取寫入功能和列尾電池的數(shù)字化。 二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 此系統(tǒng)中，微處理器采用的C8051F901，最大的系統(tǒng)時(shí)鐘是12到24MHz。MCU的電源由線性穩(wěn)壓器HT7533提供3.3V電壓，功率開關(guān)管采用MOSFET-FDS8817。1.電池組設(shè)計(jì)電池選用三星公司三元素鋰離子電池，單只電池的技術(shù)指標(biāo)為2Ah、3.6V，因此，電池組合方式采用5P2S，即5并2串。鋰電池采用鋰鎳鈷錳三元正極材料被稱為三元聚合物鋰電池，正極材料主要包括鈷酸鋰、三元材料、錳酸

4、鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰等。三元材料兼具了錳酸鋰鈷、鎳酸鋰和酸鋰三種材料的材料特性，包括容量高、經(jīng)濟(jì)、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。2.數(shù)字化電池管理單元本系統(tǒng)中，數(shù)字化電池管理單元以bq20z45為核心構(gòu)建，bq20z45內(nèi)部原理框圖如圖2所示（羅光毅，蓄電池智能管理系統(tǒng)：浙江大學(xué)，2003）。該芯片可以檢測(cè)電池過(guò)電壓/欠壓，并保護(hù)電池免受電池過(guò)電壓/欠壓損壞。針對(duì)充電和放電條件的過(guò)溫保護(hù)，具有兩個(gè)溫度傳感器TS1和TS2的單獨(dú)閾值和報(bào)警，對(duì)智能列尾電池系統(tǒng)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到運(yùn)行溫度安全穩(wěn)定的目的。AFE充電短路和放電短路保護(hù)分別由數(shù)據(jù)閃存AFESCCHGCFG和AFESCDSGCFG寄存器配置。當(dāng)A

5、FE檢測(cè)到充電中短路或放電短路故障時(shí)，充電和放電FET截止，短路保護(hù)由AFE控制。3.HDQ16總線接口將引腳P1.4配置為HDQ16總線接口與外部設(shè)備進(jìn)行通訊，HDQ16通訊協(xié)議是TI的單線通訊協(xié)議。智能電池的檢測(cè)模塊都采用這個(gè)協(xié)議?？梢酝ㄟ^(guò)HDQ16采集到電池電量、溫度、電壓和充放電狀態(tài)等信息發(fā)送到外部設(shè)備。HDQ16通信采用單總線、雙向通訊，開漏的輸出接口，使用一種基于命令的通信協(xié)議。CPU和設(shè)備通過(guò)HDQ16接口作為橋梁連接起來(lái)。HDQ16總線單元如圖3。 三、系統(tǒng)軟件流程 軟件設(shè)計(jì)主要指C8051F901的編程，采用C語(yǔ)言，在uVision4環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)。程序采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由

6、主程序和各功能模塊組成（陳志楚，潘峰，電動(dòng)汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)：湖北汽車工業(yè)學(xué)院，2013），系統(tǒng)主程序流程圖如圖4。系統(tǒng)初始化包括：MUC內(nèi)所有功能模塊，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)的清零，及其其他外設(shè)包括HDQ16總線的初始化。復(fù)位后，讀電池的所有參數(shù)，讀動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)和擴(kuò)展部分?jǐn)?shù)據(jù)。讀RUN狀態(tài)，當(dāng)RUN=1時(shí)，bq20z45進(jìn)入寫狀態(tài)，通過(guò)使能SMBUS與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入；當(dāng)RUN=0時(shí)，MCU進(jìn)入讀寫狀態(tài)，使能SMBUS總線，MCU通過(guò)SMBUS讀芯片數(shù)據(jù)，HDQ16接受數(shù)據(jù)被動(dòng)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。同時(shí)，C8051F901單片機(jī)內(nèi)置WDT（WatchdogTimer看門狗定時(shí)器)

7、，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)程序監(jiān)控運(yùn)行。在程序正常運(yùn)行時(shí)，每隔一段時(shí)間對(duì)WDT清零（喂狗），一旦程序運(yùn)行不正常，沒(méi)有及時(shí)給WDT送清零信號(hào)，則WDT計(jì)數(shù)溢出使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。 四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 繪制出的充電過(guò)程如圖5所示，當(dāng)電池組中的其中一個(gè)電池過(guò)充電，充電電壓上升到一定閾值（4.2V）時(shí)，觸發(fā)電池保護(hù)(COV)過(guò)程，啟動(dòng)COV檢測(cè)序列2s，如果COV未被清除，則充電FET將會(huì)打開，充電電壓和充電電流為0。由于電池保護(hù)的平衡性，單節(jié)電池的過(guò)充電就引起整個(gè)電池組的停止充電，電流迅速降低到0附近繪制出的放電過(guò)程如圖6所示，當(dāng)電池組中的其中一個(gè)電池電流在放電期間低于閾值，觸發(fā)放電（OCD）檢測(cè)過(guò)程的過(guò)電流保護(hù)致使放電FET打開，放電電壓和放電電流為0，由于電池保護(hù)的平衡性，單節(jié)電池的過(guò)放電就會(huì)引起整個(gè)電池組的停止放電，電池不再工作?；趯?shí)時(shí)更新電池阻抗的電量監(jiān)測(cè)計(jì)bq20z45算法預(yù)測(cè)的剩余電量與真正剩余電量的比較說(shuō)明了bq20z45如何通過(guò)阻抗跟蹤技術(shù)準(zhǔn)確地計(jì)算出電池的剩余電量，SOC與RM的比較如圖7。 五、結(jié)論 設(shè)計(jì)了一個(gè)基于C8051F901單片機(jī)和電池管理芯片bq20z45的列尾電池?cái)?shù)字化系統(tǒng)。通過(guò)傳感器檢測(cè)技術(shù)監(jiān)控電池的工作狀態(tài)，包括電池的電壓、電流和溫度，來(lái)預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài)，管理電池的工作情況，有效避免了電池的過(guò)度的充放電和電池溫度過(guò)高，大程度的提高電池的持續(xù)壽命和電池充放電過(guò)程