單片機(jī)智能鋰電池管理器的設(shè)計(jì)-文庫吧

【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 頁 ，共 35 頁 第一章 前言 電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備，是一種技術(shù)含量高、更新?lián)Q代快、應(yīng)用需求高的產(chǎn)品。電源已廣泛應(yīng)用到能源、信息、航天航空、教育、交通、國防等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域在當(dāng)今信息時(shí)代的發(fā)展都異常迅猛，不可避免地對(duì)電源產(chǎn)業(yè)提出更高的要求，如節(jié)能、節(jié)電、節(jié)材、防止污染、改善環(huán)境、安全、可靠、延長壽命、適用方便等。這種大 背景就迫使電源開發(fā) 、 制造工作者在電源研發(fā)過程中不斷探索，尋求各種相關(guān)技術(shù)，做出合格電源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的需求，因此電源管理技術(shù) 就 應(yīng)運(yùn)而生。電源管理是指如何將電源有效分配給系統(tǒng)的不同組件，這種技術(shù)對(duì)于依賴電池電源的移動(dòng)、便攜式設(shè)備（這些設(shè)備通常對(duì)電源的體積、能量密度、可靠性、使用壽命等都有較高的要求）至關(guān)重要，特別是便攜式電子產(chǎn)品 [1]。在設(shè)計(jì)便攜式產(chǎn)品時(shí)通常使用電池供電，在使用時(shí)電池的狀態(tài)是用戶所關(guān)心的，因此基于監(jiān)測管理的智能電源管理器就此誕生并迅猛發(fā)展。便攜式產(chǎn)品突飛猛進(jìn)的背后，電源管理 技術(shù) 功不可沒。 經(jīng)歷了數(shù)十年不斷發(fā)展 和 完善，電源管理技術(shù)從單純的分立器件系統(tǒng)演變?yōu)榉至⑵骷c微控制器（如單片機(jī)）集成的綜合系統(tǒng)。 另外， 數(shù)字電源技術(shù)和模擬電源技術(shù)相互結(jié)合，既有數(shù)字技術(shù)電源解決方案簡易的優(yōu)勢(shì)，又可達(dá)到模擬技術(shù)電源的高效率。可以說，電源管理技術(shù)大大推進(jìn)了智能電源的發(fā)展。 電池管理技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步 是 具有必然性 的 。單體電池有一定的溫度耐受范圍，在實(shí)際應(yīng)用中如果體積過大，會(huì)產(chǎn)生局部的過熱，從而影響電池的安全和性能 [2]。因此，單體電池 在應(yīng)用時(shí)，其 大小受到 了很大的 限制，動(dòng)力 以及 儲(chǔ)能電池 在應(yīng)用時(shí) 不可能采用體積超大的單體鋰 電池?；诂F(xiàn)有的電池制造水平 和 電池正極材料，單體電池之間尚 且不能達(dá)到性能的完全 統(tǒng)一 ，在通過串、并聯(lián)方式組成大功率大容量動(dòng)力電池組后， 其 苛刻的使用 要求 也 極 易誘發(fā)局部偏差， 進(jìn) 而引發(fā)安全 以及性能 問題。因此，為 保證 電池的性能 以及 電池使用壽命 (提升 50%以上 )，必須使用電源管理系統(tǒng) （ BMS， Battery Management System） 對(duì)電池組進(jìn)行有效 且 合理的管理 及 控制。因此，對(duì)電池管理技術(shù)的研究和開發(fā)具有重 大 意義。 自 20 世紀(jì) 90 年代初，作為便攜式電源最佳方案的鋰離子電池上市以來，鋰離子電池以其高比能密度及使 用壽命長而倍受重視，采用聚合物做電極和電解質(zhì)材料的研究以及開發(fā)尤為引人注目。目前，隨著便攜式電子設(shè)備應(yīng)用的越來越廣、市場需求越來越多，作為二次電池使用的鎳氫與鋰離子兩種電池，其需求量也隨之不斷增加?；谌绱藦V闊的市場，全球各大電池公司及廠商為了在這個(gè)領(lǐng)域中取得先機(jī)，無不致力于開發(fā)具有更高能量密度、輕量化、小型化、薄型化、高安全性、低成本與長循環(huán)使用壽命的新型電池。在這其中，聚合物鋰離子電池以其高安全可靠、輕薄、能量密度高，符合便攜、移動(dòng)產(chǎn)品苛刻要求等優(yōu)異特性而尤為引人注目。因此，聚合物鋰離子電池被稱為是 21 世紀(jì)移動(dòng)、便攜設(shè)備的最佳電源解決方案 [2]?，F(xiàn)代電池的基本構(gòu)造包括正極、負(fù)極與電解質(zhì)三項(xiàng)要素，當(dāng)然，鋰離子電池也同樣具有這三要素。而所謂的聚合物鋰離子電池，是在這三種主要構(gòu)造要素中至少有一項(xiàng)使用高分子材料作為其主要構(gòu)成元素的電池系統(tǒng)，常州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁 ，共 35 頁 這使得此種電池的單位能量密度比目前一般鋰離子電池提高了 50%，其容量、充放電特性、工作溫度范圍、安全性、循環(huán)壽命與環(huán)保性能等方面較普通鋰離子電池都有大幅度的提高。 鋰離子電池的單位質(zhì)量能量密度以及單位體積能量密度都是很高的，即同樣的電池質(zhì)量、同樣的電池體積，在同樣的負(fù)荷電流時(shí)， 鋰離子電池的兩次充電時(shí)間間隔較長，且其自放電效率很低，也無記憶效應(yīng) [3]?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，其在便攜式電子設(shè)備，如移動(dòng)電話、 PDA、掌上電腦等產(chǎn)品的開發(fā)使用中始終占據(jù)優(yōu)先地位，但是其也有價(jià)格較昂貴而造成其使用范圍受限的缺點(diǎn)。正是由于鋰離子電池在生產(chǎn)過程中的高技術(shù)密度、使用材料嚴(yán)格、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)，因此對(duì)其的充電要求就必然提出了嚴(yán)格的要求。鋰離子電池在充電過程中充電電壓高于規(guī)定電壓，充電電流高于規(guī)定電流；或在放電過程中有過大的放電電流；放電到終止放電電壓、電流時(shí)仍在繼續(xù)放電，都可能會(huì)致使電池嚴(yán)重受損或直接報(bào)廢。這 樣，智能充電器應(yīng)運(yùn)而生。在此種背景下，全球各大半導(dǎo)體公司、電池開發(fā)生產(chǎn)廠商紛紛開發(fā)出各種安全、高效的鋰離子電池充電器 IC 及鋰離子電池保護(hù)器 IC，這對(duì)鋰離子電池充、放電提供了安全保障。目前，鋰離子電池充電器常采用三段充電法，即預(yù)處理，恒流充電、恒壓充電 [3]。這樣的充電方案，不僅保證了電池的充電效率，在電池保護(hù)方面也得到了保障。 鋰電池應(yīng)用于小型消費(fèi)電子產(chǎn)品中時(shí)，以單體電池的形式存在，而在電動(dòng)自行車、電動(dòng)摩托車、 HEV(混合動(dòng)力汽車 )、 PHEV（并聯(lián)混合動(dòng)力汽車）、 BEV（純電動(dòng)汽車）中應(yīng)用時(shí)，其要求的容量逐 漸增大，需要通過并聯(lián)串聯(lián)的方組成電池組進(jìn)行充電或放電。由于單體鋰電池之間的性能差異，決定了其作為動(dòng)力和儲(chǔ)能電池時(shí)，都需要電池管理系統(tǒng) (Battery Management System, BMS)進(jìn)行充電和放電的管理、監(jiān)控及保護(hù)，以避免單體電池出現(xiàn)損壞，影響整個(gè)電池組的性能。因此，隨著動(dòng)力電池及儲(chǔ)能電池市場的高速擴(kuò)張， BMS的需求也將快速擴(kuò)大，其增長速度將與鋰電池的增速相同。目前國內(nèi)外 BMS已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，但研究還不夠成熟，性能不夠理想。由于先期的市場需求已經(jīng)打開，那么 BMS的發(fā)展將遵循 “技術(shù)完善 ”和 “商業(yè)化 ”齊頭并進(jìn)的方式。鋰電池和 BMS的性能提升，是以電動(dòng)汽車為代表的新興高科技領(lǐng)域發(fā)展急待突破的瓶頸、也是最核心的關(guān)鍵問題之一，將直接決定這些新興領(lǐng)域的發(fā)展和推廣速度。根據(jù)國內(nèi)市場以及電池管理技術(shù)的發(fā)展速度，預(yù)計(jì) 2020年 PHEV/EV累計(jì)將達(dá)到 1000萬輛的保有量，鋰電儲(chǔ)能電站累計(jì) 24GW，以此估算每年的新增市場；另外隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，假設(shè) BMS價(jià)格將在目前的基礎(chǔ)上下降一半。最終測算可得 BMS需求市場將在 2020達(dá)到 360億元以上，是目前市場容量的 160倍，年均增速 67%。 針對(duì) 以上優(yōu)點(diǎn)，鋰 離子 電池被 廣泛應(yīng)用在便攜式 、微型化 設(shè)備中。在便攜式應(yīng)用中，一般采用容量相對(duì) 較小 的鋰 離子 電池， 為 求在設(shè)備的便攜性和工作 效率 之間取得一定的平衡 ，達(dá)到更高的性能要求 。設(shè)備內(nèi)部 的 鋰 離子 電池管理系統(tǒng)，其重量 和 體積也應(yīng)該相應(yīng)縮小 ，這與便攜式應(yīng)用中對(duì)電池的要求相得益彰 。由于電池容量不大，管理系統(tǒng) 又較為 簡單， 所以 一般不 會(huì) 涉及復(fù)雜的均衡 原理 等問題。因此， 結(jié)合一定的 外圍電路， 專用的管理芯片 能夠 完成對(duì) 鋰電池的充 、 放電管理和保護(hù)功能，完全 符合 便攜式設(shè)備的要 求 ， 并且 有效 地 控制了設(shè)備的體積和成本，深受設(shè)備廠家的歡迎。目前 ， 芯片有 的 能夠單獨(dú)使用， 實(shí)現(xiàn)充 、 放電 以及 保護(hù)功能；也有 的 帶微機(jī)常州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁 ，共 35 頁 控制接口，能夠與處理設(shè)備協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能。 目前， 便攜式設(shè)備電池管理的最主要方式 就是這種 基于專用芯片的鋰電池管理 ，其具有巨大的發(fā)展前景 。 充電管理芯片是 特地 為 方便 電池 管理而 設(shè)計(jì)的，一個(gè)理想的充電管理芯片要 能 使電池的三項(xiàng) 基本 指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化： 壽命、 容量和安全性。 當(dāng) 前 ，絕大部分半導(dǎo)體生產(chǎn)商 生產(chǎn)的充電管理芯片都具有以下特 性 ：具 有 限流保護(hù) 功能設(shè)計(jì) ，短路與反充 電 保護(hù) 電 路設(shè)計(jì)； 快速、 自動(dòng)充電 功能設(shè)計(jì) ；充滿電后自動(dòng)關(guān)斷 設(shè)計(jì) 等等。有的還具有低噪聲 ， LED充 、放 電狀態(tài)顯示 以及 模擬微電腦 控制系統(tǒng)等 更人性化的 特點(diǎn)。 針對(duì) 鋰離子的特點(diǎn) ， 其對(duì)充電管理芯片的 性能 要求 是相當(dāng)嚴(yán)格的 。其要求的充電方式 為 恒流 、 恒壓方式，為有效 地 利用電池容量，需將鋰離子電池充電至最 高 電壓，但是 還要注意考慮過充問題， 過壓充電會(huì) 使 電池?fù)p壞 。 這就要求 有 較高的控制 精度 (精度高于 1％ )，是對(duì)芯片設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn) 。另外，對(duì)于電壓過低的電池 ， 除了需要進(jìn)行預(yù)充、充電終止 檢測、電壓檢測外，還需 要采用其他的輔助方法作為防止過充的后備措施，如限制充電時(shí)間 以及 檢測電池溫度， 作為 電池 充電的 附加保護(hù) 措施 。 因此， 鋰離子電池應(yīng)用 推廣 的 基本 目標(biāo) 是 實(shí)現(xiàn)安全高效 、安 全 的充電控制。 伴 隨著各種 依靠 電池供電的便攜式和移動(dòng)式 電子 設(shè)備的廣泛應(yīng)用， 對(duì) 充電器的需求也越來越大 ，要求也越來越高 。 電化學(xué)的發(fā)展使得新型電池層出不窮， 針對(duì)于此， 市場要求在充電器的設(shè)計(jì)上能夠充分適應(yīng)這些變化， 跟上最新的發(fā)展潮流， 并利用最先進(jìn)的電子技術(shù)以及制造技術(shù)來 改善 性能 、 降低成本 。 常州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁 ，共 35 頁 第二章 系統(tǒng) 開發(fā)平臺(tái)與方案選擇 開發(fā)平臺(tái) μVision開發(fā)軟件 μVision軟件是由德國 Keil 公司推出，是面向 51 單片機(jī)開發(fā)的一個(gè)綜合平臺(tái)。該軟件在 Windows 環(huán)境下工作，它自帶一個(gè)設(shè)備庫，內(nèi)含眾多 51 芯片，并允許用戶對(duì)該庫進(jìn)行維護(hù)。該綜合開發(fā)平臺(tái)可為庫內(nèi)設(shè)備的整個(gè)開發(fā)過程提供支持，包括編輯、匯編 /編譯、連接定位、軟件模擬調(diào)試、函數(shù)庫維護(hù)和項(xiàng)目管理等，故這種工作平臺(tái)又被稱為“集成開發(fā)環(huán)境 ”（ Integrated Development Environment ,IDE）。 μVision有制作和調(diào)試兩種不同的工作狀態(tài)，在不同的工作狀態(tài)下它所顯示的有效菜單欄和工具欄有所不同。 μVision集成環(huán)境提供了多種軟件工具，主要如下： 項(xiàng)目管理器屬于 μVision中最 基本的資源配置。項(xiàng)目是指一種管理機(jī)制， μVision通過項(xiàng)目來管理應(yīng)用，它將所有與該應(yīng)用相關(guān)的文件（包括源文件、頭文件、目標(biāo)文件、庫文件、文檔文件等）全部集中到一起進(jìn)行管理。項(xiàng)目管理一般分為 3 級(jí)結(jié)構(gòu)，即項(xiàng)目目標(biāo)、文件組和文件，這種結(jié)構(gòu)有利于管理由多人開發(fā)的大型項(xiàng)目。 編輯器用來編輯各種文本文件，也屬于 μVision中最基本的資源配置。 μVision中的編輯器有詞法分析的功能，在編輯匯編 /C51 源程序時(shí)，不同的語言成分會(huì)呈現(xiàn)不同的顏色，可幫助用戶及時(shí)發(fā)現(xiàn)錄入錯(cuò)誤。宏匯編器的任務(wù)是對(duì)匯編源文件進(jìn)行翻譯。 μVision中提供了兩個(gè)宏匯編工具 和 ，它們均支持 “標(biāo)準(zhǔn) ”和 “MPL”兩種宏匯編處理模式。 C51 編譯器的任務(wù)是對(duì) C51 源文件進(jìn)行翻譯，但在此前還有兩個(gè)預(yù)處理環(huán)節(jié)。 μVision提供了兩個(gè) C 編譯工具 和 ，具有很高的編譯效率和代碼生成效率。連接定位器在 μVision中的任務(wù)是完成連接和定位操作，兩者組合成同一道工序。其中，連接器負(fù)責(zé)對(duì)各目標(biāo)文件和庫文件中的可重定位模塊進(jìn)行連接裝配；定位器則負(fù)責(zé)將組合后的代碼段和各種數(shù)據(jù)段分配定位到存儲(chǔ)器中的具體位置。調(diào)試器和軟件 模擬器可以在 PC 上對(duì)目標(biāo)代碼進(jìn)行純軟件性質(zhì)的模擬調(diào)試。 μVision提供的軟件模擬器可以模擬目標(biāo)芯片中的所有資源，包括 ROM 和 RAM、 SFR、 P0—P3 端口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)和串口，也可以模擬程序中的各種變量和堆棧。通過在 μVision的用戶區(qū)中打開多個(gè)子窗口，可以觀察和設(shè)置以上內(nèi)容。文件轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將目標(biāo)文件最終轉(zhuǎn)換為燒寫文件 .HEX，供編輯器直接使用。庫管理器的任務(wù)是對(duì)函數(shù)庫文件進(jìn)行生成和維護(hù)。μVision 提供的庫管理程序?yàn)? 和 。庫的維護(hù)管理一半以命令行的方式進(jìn)行。 Protues 仿真軟件 英國 Labcenter 公司推出的 Proteus 軟件采用虛擬仿真技術(shù)，很好地解決了單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)和協(xié)同仿真問題，可以在沒有單片機(jī)實(shí)際硬件的條件下，利用 PC 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)軟件與硬件同步仿真，仿真結(jié)果可以直接應(yīng)用于真實(shí)設(shè)計(jì)，極大地提高了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率，同時(shí)也使單片機(jī)的學(xué)習(xí)和應(yīng)用開發(fā)過程變得容易和簡單。常州大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 ，共 35 頁 Proteus 軟件包提供了豐富的元器件庫，可以根據(jù)不同要求設(shè)計(jì)各種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。Proteus 軟件已有近 20 年的歷史 ，已具備較為完善的仿真模型。該軟件 針對(duì)單片 機(jī)應(yīng)用，可以直接在基于原理圖的虛擬模型上進(jìn)行軟件編程和虛擬仿真調(diào)試，配合虛擬示波器、邏輯分析儀等 虛擬軟件 ，用戶能看到單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行后的 實(shí)現(xiàn) 效果 [4]。 Proteus 軟件包提供了一種界面友好的人機(jī)交互集成環(huán)境 ISIS，其設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大 、實(shí)用 ，使用方便。 Altium Designer 軟件 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電路板設(shè)計(jì)的需求也越來越大。作為目前世界上最大的板級(jí)設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成商的 Altium 公司經(jīng)過多年不斷的更新產(chǎn)品，極大地增強(qiáng)了對(duì)高密度電路板設(shè)計(jì)的支持，可用于高速數(shù)字信號(hào)設(shè)計(jì)，提供大量新功能， 改善了對(duì)復(fù)雜多層板的管理和導(dǎo)航，可將器件放置在 PCB 的正反兩面，處理高密度封裝技術(shù)，如高密度引腳數(shù)量的球形網(wǎng)格陣列、總線布線功能、期間精準(zhǔn)移動(dòng)、快速敷銅等功能。此外， Altium Designer S09 版本解決了大量歷史遺留的工具問題，其中包括增加更多的機(jī)械層設(shè)