串聯(lián)鋰離子電池獨(dú)立充電系統(tǒng)的研究與設(shè)計

李垠汛　馮鋒

摘要：目前鋰電池具有高儲存能量密度、使用壽命長、額定電壓高、高功率受載力強(qiáng)、自放電率低、重量輕、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備中，電動車等設(shè)備作為需要高能源密度的設(shè)備廣泛采用鋰離子電池作為動力源。針對目前高壓鋰電池包充電系統(tǒng)中存在安全程度低、智能化程度不足、不同品牌兼容性不強(qiáng)等問題，在充分研究IoT技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了關(guān)聯(lián)ZigBee和RFID技術(shù)的身份驗(yàn)證驗(yàn)證核驗(yàn)系統(tǒng)，可以通過GSM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管、控制，具有較高的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：獨(dú)立充電技術(shù);STC8A8K;A/D轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP332.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0019-03

Abstract： At present， lithium batteries have a high storage energy density， long service life， high rated voltage， high power， strong self-discharge rate， lightweight， environmental protection and other advantages are widely used in all kinds of electronic equipment， electric vehicles and other equipment as the need for high energy density equipment widely used as a power source lithium-ion battery. In view of the present high-pressure lithium battery pack charging system in the low degree of safety， the intellectualized degree is insufficient，a different brand of compatibility is not strong， in the full study of IoT technology designed and developed on the basis of correlation ZigBee and RFID authentication validation check system， can realize remote monitoring and control through GSM， has higher application value.

Key words： independent charging technology; STC8A8K; A/D conversion

1 背景

伴隨國家電網(wǎng)的建設(shè)以及國家對清潔能源的推動，無論是電動汽車還是內(nèi)嵌鋰電池的設(shè)備都已經(jīng)來到我們身邊，但鋰電池充電起火的事故也時常發(fā)生，這是因?yàn)槟壳暗碾妱榆嚦潆姴捎玫氖嵌喙?jié)鋰電池串聯(lián)充電的技術(shù)，由于每節(jié)鋰電池在制造過程都存在細(xì)微差別，導(dǎo)致就算是同一批次生產(chǎn)的電池容量都會存在細(xì)微的差別，于是在放電和充電的過程中每節(jié)電池之間的會存在電壓不同的情況，在幾十次上百次的充放電后，電池之間的電壓差會累加，導(dǎo)致某個電芯電壓高，沒充滿的電池電壓低，當(dāng)充電器監(jiān)測到總電壓低于預(yù)設(shè)電壓時依舊會繼續(xù)往整個電池組進(jìn)行充電，會減少電池壽命，發(fā)生安全隱患。

獨(dú)立充電技術(shù)是通過嵌入式MCU進(jìn)行智能控制，實(shí)時計算，監(jiān)控每一節(jié)電芯，調(diào)整充電策略，實(shí)現(xiàn)每片電芯真正獨(dú)立互不干擾充電，實(shí)現(xiàn)每一片電芯獨(dú)立達(dá)到設(shè)定電壓值，實(shí)現(xiàn)電芯電壓平衡，延長使用壽命。

本文針對電動工具使用串聯(lián)高壓鋰電池充電問題，在充分研究ZigBee和RFID技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計研發(fā)了通過ZigBee和RFID控制鋰離子電池獨(dú)立充電技術(shù)。本系統(tǒng)結(jié)合了傳統(tǒng)充電器的優(yōu)點(diǎn)，同時針對傳統(tǒng)充電器無法對單一鋰電池進(jìn)行電壓控制的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，解決串聯(lián)電池充電會相互影響，充電電壓不均衡的情況，并增加了IoT感知功能，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制，增加了安全性和電池的壽命。實(shí)現(xiàn)了多功能的智能化充電系統(tǒng)。

2 鋰離子電池獨(dú)立充電和IoT融合系統(tǒng)的可行性分析

鋰離子電池獨(dú)立充電技術(shù)由多個步驟組成，首先利用電氣隔離的多個AC/DC模塊，并通過檢測電路檢測AC/DC模塊當(dāng)前健康值是否合格。然后對電池進(jìn)行充電，需要運(yùn)用隔離檢測電路進(jìn)行電芯電壓檢測，由算法判斷電芯的健康狀態(tài)，控制單元需要對充電電路進(jìn)行隔離控制輸出，計時器進(jìn)行充電計時和保護(hù)電路設(shè)計，通過技術(shù)手段按需要的模式對電芯進(jìn)行管理，并通過技術(shù)手段實(shí)時獲取每個電芯的狀態(tài)值，實(shí)時調(diào)整充電模式，保證電芯的健康狀況。IoT技術(shù)是將萬物互聯(lián)，具有干擾小、高可靠、低功耗、低成本、組網(wǎng)形式靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域中。在鋰離子電池獨(dú)立充電系統(tǒng)中，需要解決傳統(tǒng)充電系統(tǒng)無法遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制，身份識別等問題。運(yùn)用ZigBee技術(shù)通過IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范支持最多65535個網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)和多種網(wǎng)上拓?fù)?，低干擾，每個節(jié)點(diǎn)之間通訊距離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是75米，覆蓋距離小、干擾弱，實(shí)現(xiàn)多種不同數(shù)字設(shè)備相互間的無線組網(wǎng)，使它們與互聯(lián)網(wǎng)通訊。每個ZigBee節(jié)點(diǎn)不僅可以進(jìn)行監(jiān)控，也可以作為數(shù)據(jù)的采集或是中轉(zhuǎn)不同節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)，具有很強(qiáng)的靈活組網(wǎng)特性[1]。使用RFID技術(shù)進(jìn)行用戶身份識別，RFID可以識別加密無法復(fù)制的射頻標(biāo)簽，使得用戶具有唯一性。此外RFID的適用性強(qiáng)可以無視非金屬介質(zhì)進(jìn)行連接通訊[2]。通過RFID與ZigBee進(jìn)行用戶識別和網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)智能化的鋰電池充電過程。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要包括身份驗(yàn)證模塊、檢測模塊、顯示模塊、主控模塊。

1）身份驗(yàn)證模塊主要是由RFID與ZigBee實(shí)現(xiàn)。RFID驗(yàn)證方式是通過實(shí)現(xiàn)對RFID標(biāo)簽進(jìn)行加密數(shù)據(jù)寫入，使用時將RFID標(biāo)簽靠近閱讀器，閱讀器通過Wiegand 技術(shù)提供的基本接口將解密后的卡號與內(nèi)部預(yù)存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，實(shí)現(xiàn)對用戶身份的驗(yàn)證，此種方式適合快速驗(yàn)證。對沒有攜帶RFID標(biāo)簽的情況，系統(tǒng)通過ZigBee進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)與用戶手機(jī)App進(jìn)行通訊，用戶只需要在第一次使用設(shè)備時對設(shè)備和手機(jī)App進(jìn)行綁定，從而獲取對設(shè)備的控制權(quán)。

2）檢測模塊，主要是實(shí)現(xiàn)對電壓的隔離采集，但是MCU只有一個，A/D轉(zhuǎn)換只有一路，各部分取樣電阻串聯(lián)在充電回路中，且相互關(guān)聯(lián)（存在電位差），想檢測它們必須先將它們互相隔開，再通過電子開關(guān)分時把它們的信號采集過來才能處理[3]。如圖1所示，每個取樣電阻采用了兩個PS7141光耦隔離，如R7通過U3，U2組成的電子開關(guān)與其他取樣電阻隔開，這樣想知道哪兩點(diǎn)的電壓，就將相應(yīng)的電子開關(guān)打開，這兩點(diǎn)的電壓差就被送到運(yùn)放了[4]。值得注意的是，采到的信號被同時送到了兩個運(yùn)放，是為了測量不同的參數(shù)用，有增益的（U9B）是測量電流信號，倍數(shù)為1的（U9A）是測量電壓信號。電路中通過控制不同光耦的通斷就能把所有電池的電壓、電流信號都采集到了，這也是這個設(shè)計的精華所在[5]。

3）顯示模塊采用JLX12864G-290-PN 型液晶模塊，IC 采用矽創(chuàng)公司 ST7567，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定性好，可顯示 5*8 點(diǎn)陣的英文、數(shù)字、符號 21 個8 行，使用SPI數(shù)字串行接口與MCU通訊，應(yīng)用于人機(jī)交流面板，實(shí)現(xiàn)可視化操作[6]。

4）主控模塊采用STC8A8K，是STC公司生產(chǎn)的低功耗，高性能的工業(yè)控制器，具有64K字節(jié)FLASH，8K字節(jié)RAM，支持單芯片仿真。主控負(fù)責(zé)身份驗(yàn)證模塊、檢測模塊、顯示模塊之間的調(diào)度[7]。

4 系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)

4.1 用戶界面

本系統(tǒng)的工作流程是MCU通過串形數(shù)據(jù)口與身份識別模塊通訊，當(dāng)身份識別模塊中的模塊識別到標(biāo)簽信息或網(wǎng)絡(luò)用戶信息則與MCU中用戶FLASH數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，符合要求則允許操作，進(jìn)入操作界面，如圖3。

當(dāng)用戶進(jìn)入主界面，可以看到AD/DC模塊的電壓，當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)部溫度，鋰電池充電截止電壓，充電限制事件，充電時間計數(shù)，當(dāng)前的系統(tǒng)狀態(tài)，需要充電電芯的電壓。當(dāng)需要更改充電截止電壓、充電限制時間可以通過紅色設(shè)置按鈕進(jìn)入對應(yīng)的設(shè)置界面，如圖4。

當(dāng)設(shè)置完需要的參數(shù)或者使用默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行充電，按下圖3的三個實(shí)體物理按鈕既可以開始對電池進(jìn)行充電。

4.2 充電流程實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件采用分時控制，在不充電時檢測電路通過分時開啟檢測模塊相應(yīng)的光耦使電壓進(jìn)入MCU的ADC采樣口進(jìn)行采樣并存入相應(yīng)的位置。在充電的情況下采樣電路需要先對要采樣的電芯停止充電，并給予相應(yīng)的緩和時間，使其電壓恢復(fù)到真實(shí)值再對其采樣。當(dāng)某一電芯電壓達(dá)到預(yù)定伐值系統(tǒng)將根據(jù)容量對其進(jìn)行緩流充電，在該電芯充電結(jié)束后本系統(tǒng)的優(yōu)勢是可以單獨(dú)對其與充電電路斷開，其他在線電芯繼續(xù)充電直至充滿，如圖5。

充電的安全控制，系統(tǒng)對老化的電芯進(jìn)行了適配，當(dāng)電芯老化自放電過高使其無論如何都達(dá)不到預(yù)設(shè)的電壓時，內(nèi)部的計時器會計時其的充電時間和緩流充電時間，當(dāng)緩流充電時間和充電時間的比值大于一定值時會強(qiáng)制停止充電，防止充不滿的情況[8]。

5 結(jié)束語

本文通過軟硬件結(jié)合方式設(shè)計了一種串聯(lián)鋰離子電池獨(dú)立充電系統(tǒng)，有效解決傳統(tǒng)高壓鋰電池包充電系統(tǒng)中存在安全程度低、智能化程度不足、不同品牌兼容性不強(qiáng)等問題，在充分研究IoT技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了關(guān)聯(lián)ZigBee和RFID技術(shù)的身份驗(yàn)證驗(yàn)證核驗(yàn)系統(tǒng)，可以通過GSM實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管、控制，具有較高的應(yīng)用價值。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】