锂电池电量检测系统设计

摘1990年后逐渐发展起来的新一代电池，锂电池较传统的镍镉、镍氢等电池在很多方面具有优势，例如工作电压高、质量轻、能量密度大、体积小、自放电率小、无记忆效应、循环寿命长等特点，因此，锂电池作为主要能源在笔记本、手机等便携式电子设备上的应用已非常普及。如今，新面市的磷酸铁锂电池拥有非常好的市场前景，因其具有优良的电池性能。但是，如何准确检测电池的剩余电量一直是一个值得研究的问题，因其只能间接测量，不易保证准确MSP430单片机微控制器为核心，针对便携式的小功率产品，设本文首先详细介绍了锂电池的特性和优点，分析了其充放电特性。其次，在关键词：锂电池，电量检测，MSP430ILithiumionbatteriesaregraduallydevelopedin1990afteranewgenerationofbattery,whichcomparedwithconventionalNi-Cd,Ni-MHBatteryhasmanyadvantages.forexample,highvoltage,lightweight,highenergydensity,smallsize,lowself-dischargerate,nomemoryeffect,longcyclelifeandothercharacteristics.Therefore,theLi-ionbatteryastheprimaryenergyusedinthenotebook,cellphoneandotherportableelectronicdeviceshasbeenverypopular.Nowadays,thenewlithiumironphosphatemarkethasaverygoodmarketprospects,becauseofitsexcellentbatteryperformance.However,todetectremainingbatterycapacityhasbeenaproblemworthyofstudy,becauseonlyindirectmeasurements,cannotguaranteeaccuracy.Applicationdevelopmentoflithiumionbatterieshasbeengrowingrapidly,howtoaccuratelyestimatethebatteryisgraduallybecomingmoreimportant.Currently,themeasurementisnotaccurate,themainproblemisnotacomprehensivelithiumbatterydetectionsystemsexist,becauseitignorestheimportantfactorsthatcanaffectbatteryperformance,namelytemperatureparameters,inadditiontotheinternalresistanceofthebatteryitselfisagingandchange.Withtheincreaseinthefrequencyofuseofthebattery,thebatteryaging,thebatterycapacitywillbegraduallyreduced,ifthelackofafullcycleoftheratedcapacityofthebatterycalibrationthisstepwillincreasethepowerofmeasurementerror,theerrorwillbewiththebatteryfrequencyincreases.ThispapermainlyfortheMSP430microcontrollercoreforlow-powerportableproducts,thedesignofalithiumbatterydetectionsystem,andchargeanddischargeprocesslithiumbatterypackprotection.Current,voltage,temperatureparameterslithiumbatterieswillbetimelycollectionsystemcontroller,theremainingcapacityofthebatterypacktestingandsystembatterychargeanddischargeprotectionprovideatheoreticalbasis.Thispaperdetailsthefeaturesandadvantagesoflithiumbatteries,analysisofitschargeanddischargecharacteristics.Inthecaseofopenandloadthebattery,madeavarietyofestimationmethodscombinedwithtemperaturecorrectiontoestimatetheremainingcapacityofthelithiumbatteryandbatterydetectionofavarietyoffactorsinfluencealsoconsiderintoaccount,inordertoachieveanaccurateestimateoflithiumbattery.AndthedesignofthehardwarecircuitsystemdesignedsoftwareKeywords:li- capacityestimate，msp430第一章绪 课题背 课题需求分 锂电池的应用现 课题研究的意 本文主要研究内容与重 本文主要研究内 研究重 第二章锂电池的特性分 锂电池的工作原 锂电池的性能参数和特 锂电池的充放 锂电池充电特 锂电池放电特 当前锂电池电量检测方 安时积分 内阻测量 开路电压 卡尔曼滤波 当前检测方法存在的问 影响电池电量检测的各因 本章小 第三章系统硬件设 微控制器简 硬件设计方 电压测量电路设 电流检测电路设 温度检测电路设 电池均衡模 电池充电电路设 电池的建模与仿 本章小 第四章系统软件设计与实 软件整体设计思 主控制模块软件设 软件驱动层设 数据采集模 电量平衡模 串口操作及串行通讯协 电池电量查 软件组织层分析与设 电池电量算法分 电池电量软件算法模 本章小 第五章测试与分 实验目 实验装 实验方 实验数据及分 电压检 电池组电压精 电压均 电流精 容量计算精 实验总 本章小 第六章结论与展 全文总 后续工作展 致 参考文 V日本索尼公司发明了以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。在锂离子电池出现以前，市面较为常用的二次电池主要是镍镉、镍氢电池。镍镉电池发展的比较镍氢电池成本低、环保。但因其充电状态有记忆效应，实用性不强。随着二十世纪微电子技术的发展，小型化的设备日益增多，对电源提出了很高的要求。锂电池随之进入了大规模的实用阶段，因其良好的性能优势得到了迅猛的发展，迅速成为二次电池市场的主流。最早得以应用的是锂亚原电池，用于心脏起搏器中。由于锂亚电池的自放电率极低，放电电压十分平缓。使得起搏器植入人体长期使3.0电脑、电动工具、电动车、路灯备用电源、航灯、家用小电器上，可以说是最大的应用群体。目前，新出现不久的磷酸铁锂电池因其优良的电池性能，更是具有非常好的市场发展前景。锂电池与传统的镍镉、镍氢等动力电池相比,锂离子动力电池具有工作电压高、能量密度大、重量轻、体积小、自放电率小、循环寿命长、无记忆效应，对环境友好等特点，所以锂电池成为如今纯电动汽车的主要能源。如今，纯电动汽车是新能源汽车未来的发展方向,而影响电动汽车发展的主要因素是电动汽车的动力源的蓄电池，国内外已将大量的人力、物力投入到对蓄电池的研究之中，对蓄电池的各方面性能进行分析,研究其能否满足电动汽车运行期间的各方面要求。就需要对蓄电池进行必要的控制和管理以使其能够保持良好的性能并使其使用寿命延长。因此，现在已经有很多的电动汽车研究人员将主要精力集中在研究蓄电池的充放电特性上，对蓄电池进行合理、全面的管理，可以使电动汽车上的每一单体的动力电池都能够得到充分的利用，其管理中的一个重要方面就是如何准确1soc在电化学体系中，将含有金属锂、锂合金和锂离子、锂聚合物的一类电池称作锂电池]。锂电池包含可充电和不可充电的，其中不可充电的是锂金属电池，不可以作为二次电池投入使用；可以充电的是锂离子电池，因其不含金属态的锂。本节介绍的是二次电池——锂离子电池。同的，我们使用电池的时候（即放电过程），锂离子从负极碳层中的脱出运动回21-1在便携式设备中应用在电动车行业中应用随着人们对环境保护意识的提高，能源危机也日33.0V电池剩余电量的多少直接反映了电池所处的状态,通过它可以预测电动设备的续行时间（例如纯电动汽车的续行里程SOC1%左右。为此，本文主要研究内容有如下几个方面：4电流、容量值结果与其他检测仪器测得的结果之间误差小于2%，这也是本设计SOC估算值来确定。5LiCoO2、LiMnO2等，而有机溶剂和无机锂盐构成了电解液[7]。2-1所示过程。 ：负极反应：nLi-+ne-+6C→LiC6正极反应：LiMO2Li(1-n)MO2nLine电池总反应式：LiMO2+6C→Li(1-n)MO2+LiC66负极反应：LiC6→nLi+ne+6C正极反应：Li(1-n)MO2nLineLiMO2电池总反应式：Li(1-n)MO2LiC6→LiMO2+6C反应式中：MCo、Ni、Fe自放电率低[7]这是锂离子电池最重要的优势之一，二次电池的自放电又无记忆效应这是锂离子电池最重要的优势之二，这种效应不存在于锂3.7V3.2V35002000质量轻、无污染锂是轻金属一类，不含有镉、铅、汞等对人体有害的1/5左右。因此锂离子电池也被称为“绿色”锂聚合物电池的重量是最轻的，进入市场后很快就成为移动设备的主流电2-1所示。7 低低高低低高5%；当环境温度为-2010%。 80.25C-1C，在大电流充电时，要及时检测电池的温度，做好观Wh表示。质5%，比镍氢、镍镉电池低。4.1V，充电器应马上转变到恒定电压充电模式[8]。2-3所示为电量和电压的时间曲线变化图。9 2.5V以上，则利用恒定电流-恒定电压（CC-CV）充电方法，可有效地保护电池。 量。SOCStateOfCharge，是一个重要的电池状态参数。SOC的定义是：在一定的放电倍率下，电池剩余容量与相同放电条SOC

标称容量Qrated与实际最大电荷容量Qtrue第一，式（2-1）的分母可以采用实际最大电荷容量Qtrue，前提是这个实际最大容量Qtrue进行校准来获得。第二，在实际最大电荷容量Qtrue不可准确获得的情况下，应采用标称量Qrated，因为QratedSOC的值换算出Qremain。当让，采用QratedSOC100%的情况，剩余电荷Qremain2-1）的定义中分子Qremain义的QremainSOC的预测方法为：安时积分法，开路电压法，交流内SOCQrQb100%

Qr是剩余电荷的电量值，在剩余电量和电量变化值求差，获得变更后的剩余电量的值。Qo表示了该电池的额定容量。根据不同的充放电效率，电量变化QbQb

0上式i要通过大量的实验，才能建立电池充放电效率的经验公式。此方法是一种估算准确的失效的简单方法[11]。综上，安时积分法得预先知道上一时刻电池剩余电量状根据电池的荷电状态和电池内阻间存在的线性关系[12]，可以通过测量电池的C值。锂电池内阻分为直流内阻和交流内阻，锂电池交流电阻是电池电压和电流之间的传递函数，是一个复杂C化量的比值是直流电阻。直流电阻从开路状态到当前的恒定电流充电或放电的起始处计算，直流内阻是由负载电压和开路电压之间的差值除以电流值获得的。然C中找到[13]SOC 1倍率放电下开路电压与SOC关系曲SOC（EMF）0-SOC（EMF）SOC-EMFXk1AkXkBkUkWkF(Xk,Uk观测方程：Yk1CkXkVkG(Xk,Uk

上述几种检测方法，他们每个都以一个独立的或与对方结合的在实际的电池检测系统得到一些特定的应用，每种类型的检测方法，它们都具有一些不足之处。分法对于这种现象几乎是无能为力的。其一，自放电的等效电流很小，一般的电设置在工作电流回路的传感器检测不到自放电电流；其三，自放电可能发生在电池管理系统不工作的情况下。这些原因致使安时积分法单独作为电量检测方案是不具有现实意义的。SOC2-72-7同一放电倍率，不同截至SOC卡尔曼滤波方法用于估计电池的SOC，适用于所有种类的电池，它不仅可以SOC值，但也给出估计的误差范围。相比以上几种方法更准确，但是自放电率在无负载时的电池的自放电是由于正极活性离子与负极活性物电池温度温度对电池的剩余容量具有较大的影响，因为随着电池温度的SOC的估计过程中，需要将电池温度作为要考虑的因素。C600mAh1C（1倍率），若电流充放电循环就是指一次充电加一次放电，该电池的放电在一定条件下，以保证其充分的容量值是在一定的范围内，电池能够承受的循环次数，称为循环寿命。电池的额定容量会随着循环次数的增加而降低，电池寿命也会减少。本章主要介绍了锂电池的工作原理、性能参数，分析了锂电池的充放电特由于电源检测系统的硬件设计需要所测量的电池来供电，所以应尽量使用低MSP430MSP430系列单片机199616位超低功耗混合信号处理器[17]。被广3.0V2.2V电压下各种模式电流示3-1所示。 MSP430TI（德州仪器）1616A/D转换器，串行通信接口，MSP430系列单片机主要包含以下主要功能模块：CPU、程序存储器（ROM和倍频器。MSP4303-2所示：

MSP430CPU和通用微处理器是基本一致的，所不同的是进行设计MSP430系列采16位地址总线，拥有丰富的寄存器资源。存储器存储器分为程序和数据存储器。访问程序存储器总是在码字的MSP430ROM、OTP、EPROM和闪MSP430ROM/SFR等，是物理上分离的，被安CPU。MSP43001、基本定时器、LCD驱动器、硬件乘法器、模数和数模转换、端口、DMA根据电池电量检测系统的设计要求，本论文经过对比选型，最终选用了MSP430F14960K2KRAM存储器。12A/D转换器，可提供参考电压。ADC具有采样SCI、SPII/OI/O口可以重复使用，P1P216位的定时器，带有多个捕捉/MSP430单片机为核心控制器，系统硬件设计整3-3所示。I2CI2C衡单 3-434n1n2n17的整数），10电阻和连接到电池的每个电池单元的端部一个大电容，电池的内阻小，电池的电n1n2同时12C继电器便可以充当模拟开关。2后才能获得实际的电池电压。这里由于分压器使用相同的值2.5V。因此，3.6VADC采用专用的电流传感器进行检测这个方法主要是用于在高电流测量的场10A的大电流，但由于价格高的问题，还有其漂串联精密电阻，将电流转换成电压进行测量[22本文是针对便携式电动工3-550mA2值，只有当50mA5W的电阻被串联连接到2.5A50mA，因此，最大电流和最Umaximaxr2.50.020.05V

该信号处理电路需要的电流采样电压应放大到-2.5V2.5V，对应放电电流值500.05V2.5V。第一级是一个差分放大器电路，如图所示，U1U2是被取样电阻两端的电5倍。该电路具有很强-输出关 2UR4(12R2)(U 2

3-63-7所示： 10倍。低通滤波电路输入输出关系为：A(s)

U4

11R531snwnR

U32πfwnR530KC3554UR854

U55VU7ADC2.5V，U7处通过电阻分压的电压得以以满足ADC的采样要求。分压电阻的分压之后，对应于该放电电流小于1.25V1.25。3-8AD7416数字温度传感器[23]AD公司生CPU读取。省去了硬件电路设计ADC。良好的线性特征热敏电阻的电压输出与它的温度不是线性关系，要得转换器，在-551250.25℃的分辨率。它还具有超温报警4个数据寄存器，串行写操作的第一个字节是数据寄存器的表3- 00011011AD7416这种工作方式是传感器对环境温度进行一次每隔400us10到低功耗方式在这种操作模式中，当对电池温度进行取样时，也可通过THYSTTOTI16的读/90 电池均衡的目的是什么？电池均衡就是为了保持各单体电池的剩余电量在统电池剩余电量就是电池进行均衡的目标，但目前无法将此作为均衡的目标。此均的多个单元电池，如果每个单元电池的特性有差异，会造成各单电池的充电或过3-10所示：3-10充电均衡方式可以保证每一个单体电池的实际容量在充电过程中都发挥出功整个电池组的放电容量取决于容量最小的电池。3-11来标识：3-11要通过均衡所耗时间和电量损耗来进行：记电池组中各个电池的初始剩余电T1t11 t11为放电均衡耗时，即通过冰凉的旁路电阻用小电流ir将电池组各个0%所消耗的时间，则有t11

（-6）t12I对电池组进行串联充100%，则有t12

nQ1Skk

T2t21 式中t21It21min{CkI

（-10）t22i对电池组进行串联充电，同时利用所并联的100%的电池进行放电，旁路电流为ir，这个过程能够知100%时结束，因此有t22

其中，k=1，2，…，nnQ2[Qma(CkSkk

式中的Qmax相当于电池组内的所有之中离充满最远的那个电池所需充入的电x{k 依据以上给出的基本数学模型，进行进一步的计算机仿真，然后确定出更优C2、C3、Cn可能的取值为｛900，920，940，960，980，1000｝；其剩余电量的初假设在整个过程中，恒流充电电流为150mA，涓流充电电流为15mA，旁路电阻15mA。forS1=0:20:100forS2=0:20:100forS3=0:20:100forforC1=900:20:1000forforC3=900:20:1000for单个电池的剩余容量都不多（例如，少于10%）的前提下，先放电均衡后充33的电量放掉，所有这些组电池就能够实现电量平衡。因此，有必要设计出电池单体平衡模块，使得电池组的每一个电池的充电和放电是在相同的状态，以保证电池的使用寿命。本文采用的能耗均衡法是国内外最常见的方法[]。 312中所示的均衡电路原理图，该方法是使用一个旁路分流电阻，1、2n12nP430微控R1R2Rn0开关，打开相应的分流电阻器的平衡，从而使这节电池的电压下降到其他电池电压的水平。此循环重复，使得每个单细胞的锂离子电池组能够平衡充电。恒流充电阶段、恒压充电阶段[27]3-13进行预充电。需要进行预充电是因为，在所述充电阶段开始时，电池电压低时，过放电状态可能存在锂电池中，为了保护电池才使用涓流充电，这使电池电压上2.5V锂电池充电特性已经在这篇文章中详细描述了，详见第一章。恒流充电阶段当电池电压上升到一个安全值，应增加充电电流的大小，4.1V电初期够快的速度，并保证充电效率。然而，使用该方法会造成功率消耗引起的[28] U应该为：N初始化初始化阶段没有开始为电池充电时，电池主要是一些初始化和自3-14： R1R40单片机通过软件控制放电开关31做间歇式导通，通过较短的导通时间以及间隔较长的关断时间从而以较小的等效平均电流向电池预充电。S1R1、R43401做间歇式导通，该过程的实现是由较短的导通时间以及间隔较长的关断时间，并以较小的等效平均电流，来向电池预充电的。0.3CMSP430S2S3的全导通进行软件控制，电源适配器70％的容量，当电池电压达到保持充电阶段这个阶段是恒定的电流脉冲以对电池充电，脉冲充电是以t路。在此时间后，电池充电电压通常比充电终止电压高，充电电路切断时，电池电压会逐渐下降，当电池电压恢复到充电终止电压，重新打开充电电路以恒定电则认为电池完全充电，电路就不再打开，整个充电过程终止[29]。SOC、电流大小等因素变化而变化，故不能单一使用电路元器件直Simulink里的标准模块以及部分电路元器件来实现3-15Simulink3-16 P430外围硬件电路组成系统，对电压、电流和温度参数进行测量，和对充电进行控制。另外，对电池模型进行仿真，以帮助更准确检测电池电量。C加程序可读性，便于软件功能的测试和调试。另外，系统还将从软件驱动层和软C语言程序转换成二进制代码，然后可在单片机内执行命令。本设MSP430开发工具：IAR工作平台，它集成了编译器、链MSP430单片机的控制器，主程序设计包括系统软件驱动4-1NYYYNY

是否 YY 该模块为模数转换驱动程序，主要是对电压、电流及温度值进行采样，并用ADC进行模数转换是该算法的关键所在，因此，模拟到数字的转换占有硬件多路开关的选择控制这部分驱动程序是用来实现在测量电压时多路开模数转换中断服务程序在软件驱动层编写成一个由中断驱动调用的中断服C.标定功能这部分功能主要是通过软件组织层和模数转换驱动层之间的交MPS430彼此仅需要两条导线连接，以实现主站和从站的操作，1610位温度读数，该读数是由AD转换的；配置寄存器是一个8位读/写寄存器，用于设置操作模式；THYST16位读/29，表示最AD741610位二进制数据，有四个内部数用最低两位指定数据寄存器地址。配置寄存器、ThystTon设点寄存AD7416的初始化，初始化程序如下：AD7416_addrAD7416器件从地址最小值voidad7416_init() uchartaddr,i;{}AD7416的温度寄存器读操作需要连续读两个字节，且高字节在前，低字设高字节赋给ah，处理程序如下：unsignedintcurr_tempr[6];unsignedchartempr_data[4]; //1-0{curr_tempr[i]=1024-curr_tempr[i];}elsetempr_data[3]=0;}TWIAD7416值是 AD7416温度采集流8ldir16,﹩cedata_p:outadmux,r16ldir16,﹩86out sbirjmploopsbiadcsrincr17cpibreqmaincpir17,﹩02breqcpibrnem2rjmpw

;;ADIF1;;

ldizl,﹩60ldiinin

;SRAM起始地址;ADstz+,r18 ;SRAMSRAM1stz+,r19rjmp clrr17MPS430ADCADC与一88个单端输入电压采样，单端电压输入GND作为参考。ADCADC转换过AVCCADC的基准电源，AVCC通过一个电感器10uH连接到+5VADC10位的数0AREF1LSBAVCC2.56VAREFAREF上外接一个100nF的电容，这样做的目的是为了解耦片内的参考电压，提高噪声抑制的能力。ADC结果存储器（ADCL,ADCH）中，此ADIFADCVin

串口操作中断服务程序当有串口接收到要产生中断，此部分程序将接收串行通讯协议为了提高通讯的效率，在中断服务中首先检查协议，以保73.5V2.4V<2.4V2.4-2.5V2.5-3.3V-3.4V，3.4V-3.5V，>3.5V这十三个区间。处理电压时，分区之间的电压，使0-2558位数据，通过单独处充电电量算法三阶段式充电是目前对锂电池的充电方法，他的充电曲线值[30]4-3。放电电量算法根据已知实验结果，电池在特定的放电电流下电量与温度 4-40.50.523℃的电池952倍率放电情况下放电容量与电压和温度的对应曲线。 1容量=（总容量-电流积分容量值）/总容量应当注意这里，由于在电池的总20.5倍率下的放电曲线查表求的放电容量值，从而得到剩余容量模型3：利用1倍率下的放电曲线查表求的放电容量值，从而得到剩余容量百111的计算公式：22剩余容量=（2×电量代数值）×1所得电量值+（100%-2×电量代数值×23由此公式可以看出，模型1的得出的电量值决定了电池剩余电量在前半部23所占的比重开始变大。1来单独判断电池电量，计算公式为：电池剩余电量=(100%-电量代数值)2×1方法4：当电池达到一个低的水平，以保护电池，以防止电池过度放电，此0.51倍率放电曲线决电池剩余电量=230.51倍率时的放电容量和温度电压C语言程序使用的数学表格，其具体方法是，对电压进行分区2.4V3.5V0.1V为一个电压区间，进行电池剩余容量百分比转换0-2558位数据表示的区间，这样就可以得到较为准确的剩余C语言可查表格（有数据或单位转换）staticconststructmodel{//seg0,3.3Vto//seg1,3.2Vto//seg2,3.1Vto//seg3,3.0Vto//seg4,2.9Vto//seg5,2.8Vto//seg6,2.7Vto//seg7,2.6Vto//seg8,2.5V//seg9,2.4V

另外，还有其他电流（0.5C，1C）staticU8getCapacityTempAdj(S16temp){//}}staticU8getCoulombSoc(S16temp){//if((socControl&(MODE_2|RULE_3))&&)soc﹤(U8)(0.1*255)))；returnsoc；}voidSoc_UpdateSoc(U16cellZero，U16//}在本章软件设计和上一章硬件设计的基础上