對鋰離子電池的維護管理不當(dāng)將直接影響鋰離子電池的使用效益和壽命，甚至直接損壞鋰電池，從而影響水下機器人整體性能，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致機器人的安全事故。通過在線測量鋰離子動力電池組的參數(shù)，可以及時了解鋰離子電池的工作狀態(tài)、工作特性及鋰離子電池需要維護情況，因而鋰離子動力電池的在線監(jiān)測系統(tǒng)的研制勢在必行。

為了實現(xiàn)鋰離子動力電池參數(shù)的監(jiān)測，首選需要設(shè)計參數(shù)采集模塊，將鋰離子動力電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)采集出來，同時上傳到帶有A/D轉(zhuǎn)換模塊的單片機中，對這些數(shù)據(jù)進行記錄和顯示。

2鋰離子動力電池組的監(jiān)測系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)采用分散數(shù)據(jù)采集和集中數(shù)據(jù)處理，分別設(shè)計電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路，然后把數(shù)據(jù)都輸送到單片機進行集中處理。本系統(tǒng)監(jiān)測的對象是國家863項目水下機器人系統(tǒng)的鋰離子動力電池組，用的是深圳雷天科技生產(chǎn)的TS-LFP160AHA型號的鋰離子動力電池，電池組由8塊單體電池組成。需要監(jiān)測每塊單體電池的端電壓，并做出過壓、欠壓判斷；需要多點測溫度，監(jiān)測每塊電池的溫度以及電池組所處環(huán)境的溫度、濕度；由于8塊單體電池串聯(lián)，所以只需要測出串聯(lián)電流，并做出過流判斷。

本文采用了TMS320LF2407A芯片。采用此芯片作為電池監(jiān)測系統(tǒng)的CPU還體現(xiàn)在以下幾個方面：

1.節(jié)能，節(jié)能已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備設(shè)計的一個熱點問題。當(dāng)設(shè)備由二次電池來作為電源的時候，節(jié)能問題則變得更加突出和重要。本設(shè)計使用的DSP由3.3V電源供電，減小了控制器的損耗。芯片電源管理包括低功耗模式，能獨立將外設(shè)器件轉(zhuǎn)入低功耗模式。

2.16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。這一點對于多路采集子電路很有意義?？梢灾苯訉⒉杉娐返妮敵鼋拥紻SP的A/D轉(zhuǎn)換通道。而不必在DSP外面再設(shè)A/D轉(zhuǎn)換電路。

3.40個可單獨編程或復(fù)用的輸入輸出引腳?？捎糜诎踩_關(guān)及其它外設(shè)電路的控制。

4.串行通信接口（SCI）和16位串行外設(shè)接口模塊（SPI）可以接監(jiān)測系統(tǒng)的顯示部分。

3系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括電壓采集電路、電流采集電路和溫度采集電路設(shè)計。采集電路以TMS320LF2407A為CPU。TMS320LF2407A是TI公司專為實時控制而設(shè)計的高性能16位定點DSP器件，指令周期為33ns，其內(nèi)部集成了前端采樣A/D轉(zhuǎn)換器和后端PWM輸出硬件，在滿足系統(tǒng)實時性要求的同時可簡化硬件電路設(shè)計。

3.1電壓采集電路設(shè)計本設(shè)計以鋰離子動力電池為管理對象。電池組由8塊3.6V鋰電池組成。每個電池單體的額定電壓為3.6V充滿時端電壓為4.25V。要求電壓采集精度控制在1.5%以內(nèi)。電池管理系統(tǒng)要求的最低采樣頻率為20ms。

系統(tǒng)采用線性光耦作為隔離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號傳遞采樣器件，這樣就將前端的每一節(jié)電池的電壓隔離出來。將電池的大電壓按一定比例縮小，以便將電池變化的電壓值如實地反映給DSP。其后需經(jīng)過多路開關(guān)進入微處理器進行計算。光耦隔離的優(yōu)點是速度快（光耦的速度是微秒級，遠小于繼電器的毫秒級），實時性要好。另外光耦兩端的信號在電氣連接上完全隔離，不存在任何關(guān)系，所以即使在光耦的輸出端發(fā)生短路也不會給電池的使用造成任何影響。光耦將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號進行采集，解決了共地問題。與電壓傳感器相比，光耦的性價比更高。

在選擇器件的時候，我們考慮到經(jīng)濟性和實用性，光電禍合器選擇了日本東芝公司生產(chǎn)的TLP521，運算放大器選擇的雙運算放大器TL082。

VIN即電池單體電壓，經(jīng)過R1與光耦中的發(fā)光二極管形成回路，將電壓信號（VIN）轉(zhuǎn)換為電流信號（I11）。I11與I21有一定比例關(guān)系I11∝I21。UU1在這里作為比較器使用。當(dāng)A點電壓Va大于B點電壓Vb，UU1就輸出高一些的電壓值，當(dāng)A點電壓Va低于B點電壓Vb，UU1就輸出低一些的電壓值。在整個電壓采樣電路中，比較器形成一個反饋。使A、B兩點的電壓值保持一致。這樣做的目的是B點電壓顯然是15∕2=7.5v，Va=Vb=7.5v，說明上下兩個光耦中的三極管導(dǎo)通情況一樣。這樣，三極管的導(dǎo)通情況是受控于發(fā)光二極管的?？芍?dāng)I21=I22時，I11=I22。這樣，VIN∕=I11=I22=Vout∕R4?？梢奦out與VIN成比例。

3.2電流采集電路設(shè)計鋰離子動力電池組所有電池單體串連組成整個供電系統(tǒng)，只設(shè)置一個電流采集點即可。

本文采用霍爾電流傳感器采集。

本系統(tǒng)是采用了熱敏電阻進行電池本身的溫度檢測。與電橋電路結(jié)合，將溫度信號反映為電壓信號。電路如圖3-4。

其中RMDZ1是熱敏電阻，使用它主要是考慮到性價比高，而且它的體積小連接線長，可直接貼在電池單體的外殼上。缺點就是線性度不好。電池溫度的檢測主要是對上下兩個界限溫度的報替，和計算電池間的溫差，找出異常電池。不牽扯函數(shù)與復(fù)雜計算的問題，對線型度要求不高，所以使用熱敏電阻可以滿足需求。

環(huán)境溫度的測量選用一種新穎的溫度傳感器LM35，其特點是輸出電壓與環(huán)境攝氏溫度成正比，集成電路內(nèi)部己經(jīng)校正，無需外部校正。靈敏度為10.0mV/℃，精度可達0.5℃，工作電壓范圍4V-30V，耗電極少，輸出阻抗低。自此使用LM35滿量程［55℃，150℃］連接方法。為了防止零下溫度時，輸出負壓，不便于采樣到DSP中，設(shè)計了一個減法器電路。調(diào)整為環(huán)境溫度在［-45℃，75℃］范圍內(nèi)，輸出電壓是［0，4.5V］。

4系統(tǒng)的軟件設(shè)計本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用DSP（TMS320LF2407A）C語言編程，實行模塊化設(shè)計，增加了程序的可讀性和移植性。本設(shè)計主要以水下機器人使用的鋰離子動力電池為研究對象而設(shè)計，同時力求能夠有更好的兼容性，即換作其它電池不需要改動硬件，只需改動軟件，甚至盡可能小地改動軟件即可使用。對于本系統(tǒng)而言，控制軟件應(yīng)滿足如下要求：

采集電流、電壓、溫度等信號，判斷電池的故障信號，進行處理并采取相應(yīng)的保護措施，顯示故障信息。

模擬數(shù)據(jù)的采集包括電池單體電壓、電流、電池單體溫度、環(huán)境溫度。其中電壓采集是需要由控制模擬多路開關(guān)來完成，各個單體電池電壓值分時進入DSP，要求采集同一時刻的電壓與電流。充分利用TMS320F2407A/D模塊，一次采集四個量：電壓、電流、電池溫度、環(huán)境溫度，利用循環(huán)完成對電池組中多個電池的模擬量采樣。

5總結(jié)

本文針對鋰離子動力電池組的特性和測試要求，設(shè)計了基于TMS320LF2407A的監(jiān)測系統(tǒng)，提出了分散數(shù)據(jù)采集與集中數(shù)據(jù)處理的方案，給出了電池監(jiān)測系統(tǒng)電壓、電流、溫度采集的軟硬件方案，搭建了單體電池數(shù)目可達8節(jié)的電池監(jiān)測系統(tǒng)底層采集模塊框架。

在此基礎(chǔ)上可以方便地將電池信息采集到DSP中進行記錄和電池狀態(tài)的估測判斷，并通過CAN網(wǎng)絡(luò)與中心控制器通信，形成完整的電池監(jiān)控系統(tǒng)。

本課題的主要研究內(nèi)容在于電池監(jiān)測系統(tǒng)整體方案的設(shè)計和硬件電路的設(shè)計。其核心是分散數(shù)據(jù)采集與集中數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的方案。分別采集單體電池的電壓、電路、溫度，將這些基本信息送到DSP中進行集中的、綜合的分析、處理。硬件設(shè)計的重點是幾個采集電路的設(shè)計以及DSP小系統(tǒng)在監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。電壓采集電路在保證性能的基礎(chǔ)上，具有靈活性和明顯的價格優(yōu)勢。通道間的干擾和采集速度都得到改善?？蓾M足系統(tǒng)的實時性和測量精度的要求。通過增加外設(shè)采樣保持，可以采集到同一時刻的電壓和電流。電池管理系統(tǒng)的電流、溫度采集，分別采用了霍爾大電流傳感器、熱敏電阻、霍爾溫度進行測量。

每五次汽車故障就有一次是電池造成的。在未來數(shù)年內(nèi)，隨著電傳線控，發(fā)動/熄火引擎管理和混合動力（電力/燃氣）等汽車技術(shù)日益普及，這一問題將變得越來越嚴(yán)重。

為了減少故障，需要精確地檢測電池的電壓、電流和溫度，對結(jié)果進行預(yù)處理，計算充電狀態(tài)和運行狀態(tài)，將結(jié)果發(fā)送到發(fā)動機控制單元（ECU），以及控制充電功能。

為了進行同步采樣，最多需要增加兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外，ADC和MCU需要調(diào)節(jié)電源以便正確工作，導(dǎo)致電路復(fù)雜性增加。這已經(jīng)由LIN收發(fā)器制造商通過集成調(diào)節(jié)電源而得到解決。汽車精密電池檢測的下一步發(fā)展是集成ADC、MCU和LIN收發(fā)器，例如ADI公司的ADuC703x系列精密模擬微控制器。

ADuC703x提供兩個或三個8ksps、16位Σ-ΔADC，一個20.48MHzARM7TDMIMCU，以及一個集成LINv2.0兼容收發(fā)器。ADuC703x系列片內(nèi)集成低壓差調(diào)節(jié)器，可以直接從鉛酸電池供電。為了滿足汽車電池檢測的需求，前端包括如下器件：一個電壓衰減器，用于監(jiān)控電池電壓；一個可編程增益放大器，與100mΩ電阻一起使用時，支持測量1A以下到1500A的滿量程電流；一個累加器，支持庫侖計數(shù)而無需軟件監(jiān)控；以及一個片內(nèi)溫度傳感器。

采用集成器件的解決方案示例幾年前，只有高檔汽車才配有電池傳感器。如今，安裝小型電子裝置的中低檔汽車越來越多，而十年前只能在高端車型中見到。鉛酸電池所引起的故障數(shù)量因此不斷增加。過不了幾年，每輛汽車都會安裝電池傳感器，從而降低日益增多的電子裝置引發(fā)故障的風(fēng)險。