摘要：針對目前動力鋰離子電池管理系統功耗大、使用不靈活等缺陷，設計一種基于單片機CC430F5137的動力鋰離子電池管理系統。分解了動力鋰離子電池管理系統的結構原理，給出了硬件設計辦法和軟件流程，并具體分解了電壓／電流測試模塊、剩余電量測試模塊、溫度測試模塊和數據傳輸模塊。試驗結果驗證了采用單片機CC430F15137設計動力鋰離子電池管理系統的可行性，系統運行穩定可靠，有較好的使用前景。

關鍵詞：動力鋰離子電池管理系統；CC430F5137；SoC；RF無線通信

引言

隨著新能源汽車的不斷發展，大型廠開始逐步使用動力鋰離子電池驅動的運輸車輛。電動汽車目前常用的電池有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鎳氫電池等。電池是一個集成高能量的物體，它的使用以及安全管理就顯得尤為緊要。目前的電動汽車中缺少能夠實時、直觀、在線地反映蓄電池狀況的設備，由于對蓄電池保養不及時、保管不善、放電過度而造成的早期損壞，給公司帶來一定的損失。電池管理系統能處理這一問題，因此研究一套能夠實時監測蓄電池工作狀況的系統有著十分緊要的價值和意義。

參考文獻設計出的蓄電池管理系統缺少數據的傳輸功能，使得使用有一定的局限性。參考文獻設計的電池管理系統是以DSp為控制核心，其成本較高，而且系統運行的功耗也較高，有較大的局限性。

針對以上缺點，現采用基于單片機CC430F5137為控制核心的設計辦法。CC430F5137內部集成了CC1101無線電收發器，可以實現100～200m的無線傳輸功能，而且CCA30F5137具有MSp430系列單片機的低功耗特性。以上優勢彌補了目前電池管理系統的缺陷，達到了目前使用的要求。

1電池管理系統運行原理

本系統安裝在電動汽車中，可以實時監視電池的狀況。當電池汽車充電時，系統可以將充電數據通過無線模塊傳輸給充電中心，并自動進行充放電管理。這樣充電中心就可以實時了解充電的狀態，而且充電中心不用將其他線路接入汽車內，減少了搭建線路的麻煩，提高了工作效率；當汽車在正常使用電池時，系統會實時監測電池的用電情況，在剩余電量不足時及時通知駕駛人員，并將警報通過無線模塊發送給充電中心，告知要充電。

電池管理系統結構框圖如圖1所示。本系統以CC430F5137為控制核心；蓄電池充放電控制電路緊要是對蓄電池的充放電進行管理，大功率蓄電池充放電電流較大，要充放電控制電路對電池進行保護充放電，以免損壞電池；蓄電池測試電路緊要是測試電池的充放電電壓、充放電電流和電池溫度等；LCD顯示電路用于顯示電池電壓、溫度、電量等參數，以給使用人員供應一個參考；CC1101無線電模塊用于將采集的電池數據通過無線電發送給充電中心，以便充電中心進行實時管理。

2蓄電池管理系統硬件設計

蓄電池管理系統包括電流測試模塊、電壓測試模塊、溫度測試模塊和數據傳輸模塊。

2．1電流、電壓測試模塊設計

在本系統中，單片機要對蓄電池包的整體電壓和單節電池電壓進行測試。目前有兩種測試辦法：一種是采用霍爾電壓傳感器來轉換被測電壓，再通過A／D轉換元件進行采樣；另一種是采用精密電阻構建電阻分壓電路，再用A／D轉換元件進行采樣。第二種辦法有關電壓范圍較固定的條件下比較適合，倘若有大電壓或者電壓范圍較大的情況下，采用第一種辦法比較適合。本系統采用第一種測試辦法。

2．1．1模擬采樣芯片的選擇

本系統選用AD7656模數轉換芯片來采集模擬信號。AD7656是利用創新的半導體制造工藝(iCMOS)制作的高集成度、6通道同時采樣的16位逐次逼近型的ADC。其吞吐率高達250ksps，可以6通道同時采樣；支持并行、串行和菊花鏈的接口模式；可以與解決器的SpI、QSpI等高速串口實現無縫連接；寬帶寬輸入，輸入頻率為50kHz時的信噪比(SNR)為86．5db；在供電電壓為5V、采樣速率為250ksps時，功耗為140mW。如圖2所示，AD7656有兩個電源輸入端，分別為模擬電壓輸入端AVCC和數字電壓輸入端DVCC。在AD7656同時轉換6通道數據時，要一個標準的輸入電源，以便達到高精度的要求，所以AVCC的去耦就顯得十分緊要。在本系統中的供電電源的輸出端加一磁珠，以便供應較好的電源。在電路的接地設計中，AD7656的DGND與AGND要相互分開接地，以免相互影響。本系統中電源正電壓VDD為+12V，邏輯電源VDRIVE、數字電源DVCC、模擬電源AVCC的供電電壓均為+5V，電源負電壓VSS的供電電壓為-12V。RANGE端口接地，即選擇輸入范圍10V；W／b接地表示16位并行輸出；AD7656的STbY接VDRIVE，選擇正常模式；SER／pAR端口接地，選擇并行接口；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示選擇內部參考。

CC430F5137與AD7656的硬件連接圖如圖2所示。CC430F5137的p0口的16個I／O端口作為并行數據口，與AD7656的并行數據口Db0～Db15相連；p1．0端口與AD7656的bUSY相連，用來測試轉換是不是結束；p1．1端口與CONVSTA、CONVSTb和CONVSTC三個端口相連，作為AD7656的6路A／D同時采樣啟動控制口；p1．2端口與AD7656的讀信號／RD相連作為讀取數據控制口；p1．3端口與AD7656的／CS端相連作為片選控制口；p1．4端口與AD7656的RESET端相連作為AD7656的重啟控制端口。

2．1．2電流測試模塊設計

電流測試模塊采用的是霍爾電流傳感器，其測量范圍是0～100A，電流信號按1：1000的比例縮小后在精密采樣電阻上變成電壓信號。如圖3所示，將流經待測電流的導線穿入傳感器缺口處，此時M端輸出的電流是與待測電流同比例縮小的信號。該電流信號流經采樣電阻后，在電阻兩端形成一個電壓降，由于電阻的一端接地，所以電阻的另一端V。即轉化的電壓信號。電流傳感器輸出的電流范圍為0～100mA，所以采樣電阻的大小決定輸出的電壓范圍，依據AD7656模擬轉換芯片對輸入電壓的要求以及電流傳感器的轉換比例，選擇采樣電阻R的阻值為100&，得到輸出信號的電壓在0～10V以內，滿足A／D轉換芯片的輸入電壓要求。

2．1．3電壓測試模塊設計

電壓測試模塊采用的是霍爾電壓傳感器加A／D轉換器的測量辦法。如圖4所示，電壓測試模塊采用的霍爾電壓傳感器。其測量范圍為0～200V，電壓傳感器的額定輸入電流為0～10mA，所以在將電池的電壓接入霍爾電壓傳感器前，要在電壓傳感器接入之前串入一個限流電阻R1，依據輸入電壓的范圍，R1的阻值選為20k&，電阻的精度非得要求足夠高，因為電阻R1的精度將筆直影響輸入電壓的精度，進而影響整個電壓測量的精度。如圖4所示，電壓傳感器的輸出端M輸出一個電流信號，其范圍為0～25mA，但是A／D轉換器的輸入信號要求為一個電壓信號，所以要將電壓傳感器輸出的電流信號轉換為電壓信號，在電壓傳感器的輸出端M與地之間串聯一個電阻R2，這樣輸出端M輸出的電流用途在電阻R2得到電壓信號，依照A／D轉換器對輸入的電壓信號范圍要求，R2的阻值選為400&。

2．2溫度測試模塊設計

電池在充放電過程中，內部的部分能量會以熱能的形式進行釋放，倘若單個電池溫度過高，則會影響電池的壽命，甚至導致電池爆炸。電池在不同的溫度下會表現出不同的物理特性，測量出電池的溫度，并依據其內部固有的性能指標去使用和維護電池，這有關延長電池使用壽命以及讓電池達到最佳使用效果是一個非常緊要的環節。考慮到設備低功耗要求和成本限制，在本系統中選擇了Maxim公司的DS18b20數字溫度傳感器進行溫度測量。DS18b20是一款高速度、高精度的溫度傳感器，在安裝溫度傳感器時，要將其盡可能地貼近蓄電池。DS18b20的電源供電電壓為3V；測量范圍為-55～+125℃；測量精度為0．5℃。溫度采集電路圖如圖5所示，DS18b20的供電電壓為3V，單片機CC430F5137的p1．5口與DS18b20的DQ口相連，用來控制DS18b20。

2．3數據傳輸模塊設計

數據傳輸模塊由CC430F5137單片機內部集成的CC1101無線電模塊構成。CC430F5137單片機是TI公司的MSp430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發器相結合的產品，可實現極低的電流消耗，而且其采用電池供電的無線網絡使用，無需維修即可工作長達10年以上。微型封裝所蘊含的高級功能性還可為創新型RF傳感器網絡供應核心動力，以向中央采集點報告數據。CC430F5137為16位超低功耗MCU，具有16Kb閃存、CC1101無線電和2KbRAM，供電電壓范圍為1．8～3．6V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，LpM_3消耗電流為2．0μA。

CCA30F5137單片機內部集成了CC1101無線電收發器。為了提高數據傳輸的穩定性，無線電的RF頻率設為915MHz，信道間隔為100kHz，數據傳輸率為38．4kbps，發送功率最大可以達到-109dbm，傳輸距離可以達到200m。距離較遠的情況下可以外接大功率天線，新增傳輸距離，依據傳輸距離調節發射功率大小，使功耗盡量最低。CC430F5137的RF無線電硬件電路如圖6所示。CC430F5137的供電電壓為+3．3V，外接頻率為26MHz的石英晶振。其中RF_N和RF_p為RF無線電收發器的接收發射引腳，兩引腳外接天線，用以新增傳輸距離。

3動力鋰離子電池管理系統軟件設計

動力鋰離子電池管理系統的軟件設計包括SoC電量測試子程序、電池正常使用時系統程序和電池充電時系統程序的設計，下面就這各部分進行具體解析。

3．1SoC電量測試子程序

蓄電池管理系統中，常用的SoC計算辦法有庫倫計算法、開路電壓法、阻抗測量法、綜合查表法等。出于系統低功耗特性以及成本考慮，本系統采用綜合查表法。電池的剩余容量SoC與電池的電壓、電流、溫度等參數有著密切的聯系。通過電池固有的特性設置一個相關表，依據電池的電壓、電流、溫度等參數就可以算出得到電池的剩余電量值。剩余電量測試程序流程如圖7所示。系統初始化完畢后開始測試電池的電壓、電流、溫度參數，然后依據已經列出的相關表計算出電池的剩余電量，將所算出的數據通過顯示屏進行顯示。同時，將此數據通過無線模塊傳輸給充電中心，倘若剩余電量不足，系統會觸發報置，告知人員電量不足。

3．2電池正常使用時系統程序設計

在電池正常使用時，CC430F5137會實時測試電池的各項參數，包括電壓、電流、溫度等。依據查表法就可以計算出電池的剩余電量，倘若電量不足，系統會提示使用人員，告知電量不足，并通過CCA30F5137內部集成的RF無線電模塊，將電量不足的信息發送給充電中心。倘若電池的輸出電流較大，超過電池的固有指標，系統也會發出警報，告知電池有特殊情況，并及時檢查更換電池。

電池正常使用時系統程序流程如圖8所示。首先系統會測試電池的相關參數，并計算電量，顯示電池的相關信息，倘若有警報發生，系統會及時通知使用人員和充電中心。

3．3電池充電時系統程序設計

因為在電池充電的不同階段，電池輸入的電壓和電流要不斷變化，所以在充電過程中系統會實時地測試電池的輸入電壓、電流和溫度等參數，然后依據查表法計算出電池的電量，并將電量信息通過RF無線電發送給充電中心。這樣充電中心依照電池的實時參數不斷地控制充電電壓和充電電流，來更好地進行充電。

其系統程序流程如圖9所示。

系統初始化后，會不斷測試電池的相關參數，然后將電池的相關信息發送給充電中心，同時判斷是不是已經洋溢，倘若洋溢電，則會通知人員電池已洋溢。

結語

本文設計出了一種基于CC430F5137單片機的動力鋰離子電池管理系統。本系統能夠實時監測電池的使用情況，將電池的實時數據及時反饋給用戶。系統運行穩定可靠，有較好的使用前景。