摘 要： 針對使用多串鋰電池組的便攜式電動工具，設計了一個智能鋰電池組管理系統，該系統以ML5238為前端采集芯片，單片機ML610Q488為核心控制器。該系統可監測5~16串鋰電池組，并具有電壓采集、電流采集、溫度采集、過充保護、過放保護、短路保護、溫度報警、剩余電量估算、電池均衡等功能。經測試表明，該系統具有良好的測量精度及穩定性，完全達到了便攜式電動工具鋰電池管理系統的設計要求。
關鍵詞： 電池管理系統；便攜式電動工具；ML5238；電池均衡
0 引言
近年來，動力鋰電池憑借其優良的性能，逐步取代了鉛蓄電池而被廣泛使用。鋰電池具有體積小，能量密度高，循環使用壽命長等優點[1]，也使它成為便攜式電動工具的首選電池能源。但是在串聯鋰電池組的使用過程中，由于鋰電池的化學特性和單體電池的不一致性可能會造成鋰電池組的過充、過放、高溫等現象，從而影響鋰電池組的工作狀態甚至導致系統癱瘓。所以為了保證串聯鋰電池組的安全、有效使用，本文研究并設計了一種基于前端采集芯片ML5238的鋰電池管理系統[2-3]，該系統具有電池組數據采集、剩余電量（State Of Charge，SOC）估算[4]、電池均衡、電池組故障保護、上位機通信等功能。
1 鋰電池管理系統的硬件設計
本系統設計采用日本羅姆公司的前端數據采集芯片ML5238負責對電池組各項數據進行采集，ML5238是針對多串鋰電池組的數據采集芯片，其在正常工作狀態下功耗僅為50 μA~100 μA，掉電狀態下更是僅有0.1 μA~1 μA的超低功耗。本系統主控芯片采用羅姆公司的8位低功耗微控制器ML610Q488，ML610Q488內置48 KB可編程FLASH ROM、2 KB的Data RAM、4通道12位高精度ADC，同時具有多個可編程中斷和可編程看門狗定時器，擁有兩個UART接口和1個I2C總線接口以及豐富的外設資源，非常適合鋰電池管理系統的設計。
1.1 鋰電池管理系統硬件框圖
本系統由前端數據采集芯片ML5238和單片機ML610Q488組成，其硬件結構框圖如圖1所示。ML5238內置了3.3 V低壓差線性穩壓器，可以直接驅動外部MCU，同時也實現了高低壓隔離的作用。ML5238與ML610Q488之間通過SPI總線相連，根據ML610Q488的指令，ML5238對電池組各項數據進行采集并回傳給MCU。MCU接收到各項數據后進行處理，若電壓、電流、溫度數據超過預先設置的保護閾值，則啟動過放、過充、過流、溫度等相關故障保護。若電壓數值達到預先設置的電池均衡閾值，則啟動電池均衡。最后MCU通過SOC算法，估算出剩余電量并直觀顯示出來。
1.2 電壓采集電路設計
鋰電池管理系統需要精確測量出串聯電池組中每個單體電池的電壓，精確的電壓測量精度是防止過放、過充的保證，同時精確的電壓測量精度也能提高SOC算法的估算精度。圖2所示為串聯鋰電池組電壓采集電路。ML5238根據MCU的命令采集到電池組的電壓信號并通過VMON引腳輸出，MCU再通過A/D轉換得到電池電壓值。圖2中的RC低通濾波電路消除了電壓信號中的高頻分量，穩壓二極管則能很好地保護芯片，這樣可以穩定精確地測量電壓數據。
1.3 電流采集電路設計
電流是電池組工作狀態的重要參數之一，是直接判斷是否出現過流的依據，也是安時積分法估算剩余電量的重要參數，所以電流檢測的精度也直接決定了SOC算法估算的精度。本系統電流采集電路如圖3所示，在ISM和ISP管腳間接入捕捉電阻R1，ML5238通過將捕捉電阻R1兩端的電壓差放大10倍或者50倍后從IMON管腳輸出，MCU通過A/D轉換采集到電壓值。IMOM管腳輸出的電壓值由式（1）給出：
VIMON=（I×R1）×GIM+1.0（1）
其中VIMON為MCU得到的電壓值，R1為電流捕捉電阻的阻值，GIM為通過軟件設置的電壓增益放大倍數。由于在電池組充電和放電時電流是相反的，為了避免出現負電位，本系統IMON管腳以1 V作為0電流的電壓參考點。所以電流即可通過式（1）計算得出。
1.4 電池均衡電路設計
鋰離子電池雖然憑借優良的性能被廣泛使用，但在實際應用中，由于串聯電池組中各單體電池存在差異，在相同的充放電電流下，長時間使用后肯定會出現單體電池過充或過放現象，從而導致電池組不能正常工作甚至有安全危險。所以必須在鋰電池管理系統中加入電池均衡的功能[5-6]。
目前電池均衡技術按照均衡的能量消耗方式主要分為耗散式均衡和非耗散式均衡。耗散式均衡主要是把高電量電池的能量通過電阻消耗掉達到均衡。非耗散式均衡主要是通過能量轉移的方法把高電量電池的能量轉移到低電量的電池上。非耗散式均衡雖然有效利用了能量，但結構比較復雜、成本高。耗散式均衡雖然存在能量浪費，但是電路結構簡易，發熱量也很小。綜合考慮本系統主要針對便攜式電動工具，電池組工作電流不大，所以選擇采用耗散式均衡技術。
本系統的電池均衡電路如圖4所示，在每個電池旁都并聯一個電阻均衡電路實現電池均衡。為了達到更好的均衡效果，本系統可在軟件中設置均衡開啟電壓值、均衡開啟電壓差、均衡結束電壓差和均衡時間這些參數，當各單體電池電壓值滿足均衡開啟電壓值和均衡開啟電壓差后，MCU則發出指令開啟對應電池的開關MOS功率管實現電池均衡，當均衡后電壓值滿足均衡結束電壓差和達到均衡時間后，MCU則發出指令關閉MOS功率管來中斷電池均衡。本系統均衡電流最大可達到100 mA。
2 鋰電池管理系統軟件設計
鋰電池管理系統的硬件搭建完成后，系統的控制和各種故障保護功能及SOC估算則要通過MCU來完成。本系統軟件總流程圖如圖5所示，系統開啟后會從內部Flash中讀取程序并設定各項參數。接著系統開始依次檢測各單體電池電壓、溫度和電流值。若檢測結果超過設定閾值則啟動相應的過充、過放、過流、電池均衡等保護機制。經過SOC算法得出的剩余電量將通過5顆LED燈直觀顯示出來。系統也可通過上位機來讀取各項采集數據以及設置各項參數。
3 系統測試及分析
系統測試選用8串14500磷酸鐵鋰電池組，單體額定電壓為3.2 V，單體額定容量為700 mAh。實驗前人為對各單體電池進行放電，以便驗證系統電壓檢測精度和電池均衡效果。對放電后的8串電池組進行監測，電壓顯示于上位機界面中，如圖6所示。上位機中還會顯示電流、溫度等數據，各項故障保護的次數也會被上位機記錄，此時SOC顯示為20%。
接著對8串電池組進行充電，在充電過程中監測數據如圖7所示，由于事先的人為放電，電池組電壓出現不一致的現象，隨著充電的繼續這種不一致性將繼續放大。此時系統會檢測出需要均衡的單體電池并依次進行均衡。
充電完成后的電壓監測數據如圖8所示，電池組各單體電池電壓值已經趨于一致，達到了電池均衡的設計要求。此時SOC顯示為100%，表明充電完成。為驗證系統電壓測量精度，使用萬用表測量得各單體電池的真實電壓值，對人為放電后檢測的電壓值和真實值處理分析，結果如表1所示。由表中數據可知系統的電壓測量精度均在±5 mV內，完全滿足系統設計要求。
4 結束語
隨著使用鋰電池組的電動工具的不斷增加，鋰電池組管理系統成為必不可少的一部分。本文設計了一套適用于便攜式電動工具的鋰電池組管理系統，該系統最高可監測16串鋰電池組，具有很高的電壓測量精度，可達到±5 mV，本系統還具有電池均衡、SOC估算和多種故障保護等功能，具有很好的應用價值。
參考文獻
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[3] 陳仕俊，鄭敏信，滿慶豐.基于STM32和LTC6803的電池管理系統設計[J].電源技術，2015，39（2）：280-283.
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