電動自行車鋰電池保護(hù)與在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

李德明

(廣西師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)+項(xiàng)目應(yīng)用發(fā)展，電動車自行車也逐步進(jìn)入智能化發(fā)展趨勢，電動自行車行業(yè)產(chǎn)品改進(jìn)方向及技術(shù)提高必定是智能化。電動自行車智能化鋰電池的使用趨勢已經(jīng)到來，面對新的電池技術(shù)和電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)電動自行車技術(shù)滿足不了客戶對新技術(shù)的渴望。鋰電池具有體積比、重量比能量高、單體電壓高，但存在電池容量不大、大電流放電性能弱、成本高、無法循環(huán)利用等問題。特別是在電動自行車上，鋰電池保護(hù)與控制系統(tǒng)不太成熟，替換原使用鉛酸電池車輛，與其儀表不一致等多種問題，使得鋰電池在電動自行車上的應(yīng)用受到一定的阻力。因此完善鋰電池在電動自行車上的保護(hù)與控制系統(tǒng)尤為重要。

現(xiàn)階段大多數(shù)電動車鋰電池采用純硬件保護(hù)方案，直接使用鋰電池保護(hù)IC 進(jìn)行保護(hù)，該方案中電路成本較低，但是純硬件保護(hù)方案中整個電池只有輸出與關(guān)閉2 個狀態(tài)。當(dāng)電池被關(guān)閉時，不能直接定位到具體是某一單體鋰電池故障造成電池關(guān)閉，因此對鋰電池單體要求較高，使得鋰電池成本較高。電動自行車在行駛過程中，功率、電壓、電流、溫度等狀態(tài)的變化能夠反應(yīng)出電動車故障的大致情況，比如電流異常，電機(jī)出現(xiàn)故障。因此實(shí)施在線監(jiān)測將數(shù)據(jù)傳輸反饋給管理人員分析就較為重要，采用4G 無線通信方式把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP 顯示，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測功能。另外我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國科技發(fā)展的重要成果之一，已開始給中國和周邊地區(qū)提供定位導(dǎo)航服務(wù)，因此，引入北斗導(dǎo)航技術(shù)開發(fā)應(yīng)用于電動自行車的定位系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有助于電動自行車智能化發(fā)展。

本文設(shè)計(jì)基于stm32f103 單片機(jī)為主控制器的電動自行車鋰電池保護(hù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)，完成硬件電路設(shè)計(jì)和APP 軟件開發(fā)調(diào)試，并驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方案的可靠性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

電動自行車用鋰電池保護(hù)和在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效地保障鋰電池的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，能在手機(jī)APP端在線實(shí)時監(jiān)測電池運(yùn)行狀態(tài)，并利用北斗定位系統(tǒng)實(shí)時查看電動車位置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)將鋰電池保護(hù)與監(jiān)控合二為一，在對電池進(jìn)行保護(hù)的前提下實(shí)現(xiàn)按需輸出，實(shí)現(xiàn)對電動自行車電機(jī)控制的有效補(bǔ)充，提高鋰電池的使用效率，同時具有實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)，確保電池運(yùn)行安全可靠。該系統(tǒng)與電動車控制器相連，實(shí)時讀取控制器信息（控制信息、故障信息），并將此信息實(shí)時回傳給服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)車況監(jiān)測與控制。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由鋰電池保護(hù)模塊、鋰電池檢測模塊、鋰電池輸出控制模塊、BD/GPS 定位模塊、NB-IOT/4G網(wǎng)絡(luò)模塊、MCU 模塊和電源模塊組成。結(jié)構(gòu)圖如下所示。

圖1 系統(tǒng)的總原理框圖

鋰電池保護(hù)模塊，具有過充保護(hù)、過放保護(hù)、過溫保護(hù)、過流保護(hù)、均衡保護(hù)等功能，對鋰電池進(jìn)行實(shí)時保護(hù)。對充電和放電時的電壓、電流、溫度進(jìn)行實(shí)時檢測，一旦出現(xiàn)過充、過放、過溫、過流等情況立即進(jìn)入保護(hù)，停止充放電。鋰電池檢測模塊，可以監(jiān)測每一個電池的電壓、電池組總電流、溫度，對鋰電池進(jìn)行實(shí)時檢測。輸出控制模塊是根據(jù)負(fù)載需求進(jìn)行功率的輸出，實(shí)時監(jiān)測電量與負(fù)載情況，實(shí)現(xiàn)按需輸出。BD/GPS 定位模塊，實(shí)時獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)定位功能，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)負(fù)責(zé)處理各個模塊之間的數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后，通過NB-IOT/4G 移動網(wǎng)絡(luò)采用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給云服務(wù)器，云服務(wù)器完成對數(shù)據(jù)分析和存儲，手機(jī)APP 調(diào)取數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。

2 硬件電路設(shè)計(jì)分析

2.1 STM32 控制器電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)作為主控制器，型號為STM32F103RBT6，芯片內(nèi)部資源豐富，具有性價比高、功耗小等特點(diǎn)，適合嵌入式應(yīng)用開發(fā)，STM32 主控制器的電路原理圖如圖2 所示[1]。

圖2 單片機(jī)模塊電路原理圖

單片機(jī)與各模塊都有連接關(guān)系，控制各模塊按照需求正常穩(wěn)定工作。單片機(jī)采集保護(hù)板工作溫度是否正常，溫度檢測采用DS18B20設(shè)計(jì)。在測試時，DS18B20受熱區(qū)域與電池主體接觸，將其安裝在合適位置[2]。單片機(jī)模塊通過串行口PA9、PA10口與RS485芯片連接，實(shí)現(xiàn)與外圍擴(kuò)展模塊連接，通過串口與BD/GPS定位模塊相連接，通過PA1-7口與4G移動通信模塊相連接，通過PB12、PB13口與鋰電池檢測模塊相連接，通過PB5、PB7、PB8、PB9口與鋰電池輸出控制模塊相連接。系統(tǒng)采用外部8MHZ晶振作為系統(tǒng)時鐘源，在晶振的輸入管腳以及輸出管腳加上電容實(shí)現(xiàn)晶振頻率穩(wěn)定，STM32的程序下載方式主使用的是SWD接口下載的方式，只需要兩根接口即可實(shí)現(xiàn)下載，操作方便且電路簡單[1]。

2.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由鋰電池組供電，鋰電池組電壓較高，需要降壓才能給電路各模塊芯片供電使用，電路設(shè)計(jì)采用的降壓芯片是SL3036H，這是一款支持寬電壓輸入的開關(guān)降壓型DC-DC，芯片內(nèi)部有大功率MOS 管，可承受輸入電壓超過120V 以上。SL3036H 輸出電流可達(dá)到1.5A 以上，并且還有功耗高、效率高、紋波小等特性。鋰電池組電壓經(jīng)過SL3036H 降壓輸出4.2V 電壓給芯片供電，4.2V 電壓再經(jīng)過AMS1117 穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為3.3V 給單片機(jī)等芯片供電，電路原理圖如圖3 所示[3]。

圖3 電源電路原理圖

2.3 鋰電池檢測模塊電路

鋰電池檢測模塊采用的檢測傳感器是DS2780E，用于測量可充電鋰離子和鋰離子聚合物電池的電壓、溫度和電流，并估算剩余電量[4]。該芯片內(nèi)部有存儲單元，電池特性參數(shù)和應(yīng)用參數(shù)存儲在片內(nèi)EEPROM中，芯片根據(jù)電流溫度特性、放電速率、存儲電荷與應(yīng)用參數(shù)對可用電量進(jìn)行估算。估算電量值以mAh 和滿容量的百分比為單位提供[4]。DS2780E 與主控制器STM32F103 相連，通過單總線方式與主控制器STM32F103 通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

鋰電池的放電曲線比較平緩，因此只依靠測量電池兩端電壓判斷電池容量的方法得不到準(zhǔn)確值，但是DS2780E 芯片可以測量經(jīng)過電池的電量，包括充進(jìn)電量值、放出電量值和里面還有電量值，它都能檢測出來，通過單片機(jī)系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)就可以很精確的知道電池里的剩余電量了。鋰電池檢測電路原理圖如圖4 所示。

圖4 鋰電池檢測電路原理圖

2.4 鋰電池保護(hù)模塊電路

鋰電池保護(hù)模塊電路包括兩部分，分別是充電平衡控制電路和電池保護(hù)控制電路。

充電平衡控制電路采用HY2212 芯片，該芯片是鋰電池充電平衡芯片，其內(nèi)置高電壓檢測電路和延遲電路，適用于多節(jié)電池組的單節(jié)鋰離子電池充電平衡控制的電平監(jiān)視芯片。芯片過充檢測電壓是3.45V，過放檢測電壓是3.42V。充電平衡控制電路原理圖如圖5 所示，其中2N7002K 是平衡控制N-MOSFET 管，HY2212 輸出端OUT 輸出高電平時平衡控制有效，充電可正常進(jìn)行。

圖5 HY2212 電路原理圖

該集成電路持續(xù)監(jiān)控VDD 和VSS 之間連接的C1 和C0 之間蓄電池電壓，以控制充電和放電。當(dāng)電池電壓超過過充檢測電壓時，OUT 引腳電平由低變高控制N-MOSFET 管2N7002K 打開；或電池單元電壓低于過充釋放電壓，OUT 引腳輸出管腳輸出電平由高變低到控制N-MOSFET 關(guān)斷，這種狀態(tài)稱為“正常狀態(tài)”，充電時也可以正常運(yùn)行。

鋰電池保護(hù)控制芯片采用HY2112，芯片內(nèi)置高精度電壓檢測電路和延遲電路，可用于單節(jié)鋰電池的保護(hù)IC，適合于對單節(jié)鋰電池的過充電、過放電和過電流進(jìn)行保護(hù)。電路原理圖如圖6 所示。集成電路監(jiān)控VDD 引腳和VSS 引腳之間連接的電池電壓，以及CS 引腳和VSS 引腳之間的電壓差，以控制充放電。

圖6 HY2112 電路原理圖

在正常工作狀態(tài)下充電時，電池電壓高于過充電檢測電壓，并且檢測持續(xù)時間超過過充電檢測延遲時間，HY2112 將關(guān)閉充電控制MOSFET 開關(guān)管停止充電，從而保護(hù)電池，這種情況稱為“過充保護(hù)狀態(tài)”[5]。當(dāng)正常狀態(tài)下放電時，電池電壓低于過放電檢測電壓，且檢測持續(xù)時間超過過放電檢測延遲時間，HY2112將關(guān)閉放電控制MOSFET 開關(guān)管，停止放電，這種情況稱為“過放電保護(hù)狀態(tài)”[6]。HY2212 和HY2112芯片的控制輸出與bq76200 驅(qū)動器連接，根據(jù)HY2212 和HY2112 芯片檢測到的電池狀態(tài)去控制bq76200 驅(qū)動器的工作模式。

2.5 鋰電池輸出控制模塊電路

輸出控制選用bq76200 驅(qū)動器芯片，bq76200 高側(cè)N 通道FET 驅(qū)動器是一款電壓電池組前端充放電驅(qū)動器。高側(cè)保護(hù)避免系統(tǒng)接地中斷，還能確保電池組與主機(jī)系統(tǒng)之間進(jìn)行連續(xù)的通信。該器件有一個額外的P 通道FET 控件，用于以低電流預(yù)充深度耗盡的電池，還有一個PACK+主機(jī)電壓監(jiān)控器控件，用于感測PACK+電壓。獨(dú)立使能輸入能夠讓CHG 和DSG FET 單獨(dú)打開和關(guān)閉，為電池系統(tǒng)提供了更大的執(zhí)行靈活性。即使當(dāng)充放電功能電路停止工作，bq76200 也可以對電池進(jìn)行不間斷監(jiān)視。

bq76200 數(shù)字控制端口與主控制器STM32F103 連接，bq76200 與場效應(yīng)管FDB2614 連接，F(xiàn)DB2614與電池組正極連接，從而由STM32F103 可以控制電池組的工作狀態(tài)。單片機(jī)處理器負(fù)責(zé)控制bq76200 驅(qū)動器芯片的工作使能端口，bq76200 驅(qū)動器芯片CP_EN 是充放電使能控制端口，PMON_EN 是內(nèi)部工作監(jiān)控使能控制端口，PCHG_EN 是場效應(yīng)管預(yù)充電使能控制端口,提供在電池組中實(shí)施P 溝道MOSFET 開關(guān)管預(yù)充電路徑（電流限制路徑）的選項(xiàng)。HY2212 芯片和HY2112 芯片自動檢測電池狀態(tài)，根據(jù)監(jiān)控到的狀態(tài)去控制bq76200 驅(qū)動器芯片連接的PCHG_EN 管腳實(shí)現(xiàn)充電使能控制，連接DSG_EN 管腳實(shí)現(xiàn)放電使能控制。bq76200 驅(qū)動器芯片的PACKDIV 管腳是電池組電壓輸出管腳，bq76200 驅(qū)動器芯片的PMON_EN 引腳啟用后，將把電池組正極電壓連接到PACKDIV 引腳上，該引腳連接到外部電阻分壓器，以降低電壓。降低后的電壓連接到單片機(jī)處理器的ADC 輸入電壓測量，單片機(jī)處理器可根據(jù)此電壓信息（電池組總電壓）檢測充電器工作情況或執(zhí)行其他充電控制操作，如停止充電、停止放電使能等。

過溫保護(hù)單元和過流保護(hù)單元是通過單片機(jī)處理器控制輸出控制模塊的bq76200 驅(qū)動器芯片來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)檢測模塊檢測到電池組溫度過高或者電流（電池組由電池單體串聯(lián)而成，電池單體電流即為電池組的總電流）過大時，單片機(jī)處理器控制bq76200 驅(qū)動器芯片的CP_EN 充放電使能控制端口和PCHG_EN 使能端口無效，從而達(dá)到過溫保護(hù)和過流保護(hù)的目的。輸出控制電路原理圖如圖7 所示。

3 系統(tǒng)測試驗(yàn)證

3.1 電池保護(hù)控制板測試驗(yàn)證

電動自行車鋰電池是一節(jié)一節(jié)串聯(lián)連接的，電池保護(hù)板通過接口監(jiān)控每節(jié)電池的正負(fù)極電壓、電流、溫度等參數(shù)，在電池充放電時能監(jiān)控鋰電池的總電壓和總電流，避免充放電電壓、電流工作異常，保障鋰電池正常工作。電池保護(hù)板和鋰電池連接示意圖和實(shí)物測試圖如圖8 所示。

圖8 電池保護(hù)板和鋰電池連接示意圖和實(shí)物測試圖

經(jīng)過對電池保護(hù)電路的調(diào)試和測試，驗(yàn)證該保護(hù)控制電路系統(tǒng)能完成對電動車鋰電池的有效保護(hù)監(jiān)控，系統(tǒng)對鋰電池的充電和放電時的電壓、電流、溫度能實(shí)時檢測，一旦出現(xiàn)過充、過放、過溫、過流等情況立即進(jìn)入保護(hù)，停止充放電，同時可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測單體鋰電池的電壓、溫度及內(nèi)阻等運(yùn)行參數(shù)，全面連續(xù)準(zhǔn)確地監(jiān)測鋰電池狀態(tài)，捕捉鋰電池的潛在故障，發(fā)送預(yù)警信號[7]。

3.2 電池保護(hù)系統(tǒng)在線監(jiān)測測試驗(yàn)證

在線監(jiān)測功能是在手機(jī)端設(shè)計(jì)APP 軟件實(shí)現(xiàn)，無線通信采用型號為EC20 的4G 網(wǎng)絡(luò)通信模塊，EC20模塊兼容性能較好，可以實(shí)現(xiàn)EDGE 和GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)通信，能保障在沒有3G 或4G 網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域也能正常通信。EC20 模塊由主控制器STM32F103 控制工作狀態(tài)，模塊通過TXS0108E 自動雙向電壓轉(zhuǎn)換器與主控制器相連接，匹配兩者工作電壓，保障電路正常通信。

系統(tǒng)采用北斗導(dǎo)航定位模塊實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時定位、行駛數(shù)據(jù)分析、軌跡回放、電子圍欄、防盜等功能，同時緊密結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、精密測量技術(shù)和鋰電池特性，在APP 軟件設(shè)計(jì)中融合了鋰電池在線監(jiān)測、分析、診斷功能。北斗定位模塊采用的型號為Air800 模塊，Air800 模塊由主控制器STM32F103 讀取和寫入相關(guān)數(shù)據(jù)，與STM32F103 通過串口連接通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

利用北斗定位模塊與移動網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)鋰電池保護(hù)系統(tǒng)在線監(jiān)測功能，移動網(wǎng)絡(luò)采用物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議MQTT 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，開發(fā)手機(jī)APP 監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，并經(jīng)過多次修改編程，優(yōu)化程序，取得理想的測試效果。在線監(jiān)測測試圖如圖9 所示。

圖9 電池保護(hù)板在線監(jiān)測APP 測試圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種基于STM32 單片機(jī)為主控制器的電動自行車鋰電池在線監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對鋰電池相關(guān)工作參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和實(shí)時保護(hù)，能夠穩(wěn)定可靠地監(jiān)測鋰電池狀態(tài)，捕捉鋰電池的潛在故障問題，及時作出保護(hù)措施，保證電動自行車使用安全。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動自行車輛實(shí)施定位、行駛軌跡、電子圍欄防盜報(bào)警等功能，同時融合了鋰電池在線監(jiān)測、分析、診斷功能，實(shí)現(xiàn)電池參數(shù)實(shí)時檢測和故障分析。測試結(jié)果證明該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對鋰電池進(jìn)行有效監(jiān)測和安全保護(hù)，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)監(jiān)測，具有較高的應(yīng)用價值。