列尾电池数字化管理设计分析

列尾电池是列尾装置的供电电源，对列车的行车安全具有重要意义。设计了一个基于C8051F901单片机和电池管理芯片bq20z45的列尾电池数字化系统。该系统具有电池数字化管理功能：监控电池的工作状态，包括电池的电压、电流和温度，预测电池的荷电状态，管理电池的工作情况。通过对冲放电过程电池各个状态的监测和对电池剩余电量的预测，避免了电池的过度的充放电和电池过热，以便最大限度地利用电池的电荷储存能力和循环寿命。支持智能（数字）电池HDQ16总线，该单总线技术是由一根线与其他设备进行通信，能双向传输数据，可以节约系统资源。实验结果表明，该设计能够满足设计要求的各项功能和技术指标，能够满足列尾装置供电需求。

一、系统设计方案

数字化列尾电池主要由串联电池组、电池信息采集单元、控制单元、通信单元等部分组成（鲍可进，C8051F单片机原理及应用：中国电力出版社，2006；严加朋，蓄电池电量计量与管理系统的研究：东北大学，2011；罗光毅，蓄电池智能管理系统：浙江大学，2003；陈志楚，潘峰，电动汽车动力电池管理系统：湖北汽车工业学院，2013）。该方案原理框图如图1所示。数字化列尾电池管理单元对电池组单元的信息数据采集之后进行信息数据处理并作出相应的动作包括电池平衡、过电流保护、过温度保护等（鲍可进，C8051F单片机原理及应用：中国电力出版社，2006）；数字化列尾电池管理单元通过SMBUS总线与微控制单元进行连接实现微控制单元对数字化列尾电池管理单元的控制功能；微控制单元与外部设备通过HDQ16总线进行通信实现读取写入功能和列尾电池的数字化。

二、系统硬件设计

此系统中，微处理器采用的C8051F901，最大的系统时钟是12到24MHz。MCU的电源由线性稳压器HT7533提供3.3V电压，功率开关管采用MOSFET-FDS8817。1.电池组设计电池选用三星公司三元素锂离子电池，单只电池的技术指标为2Ah、3.6V，因此，电池组合方式采用5P2S，即5并2串。锂电池采用锂镍钴锰三元正极材料被称为三元聚合物锂电池，正极材料主要包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂、磷酸铁锂、镍酸锂等。三元材料兼具了锰酸锂钴、镍酸锂和酸锂三种材料的材料特性，包括容量高、经济、安全可靠等优点。2.数字化电池管理单元本系统中，数字化电池管理单元以bq20z45为核心构建，bq20z45内部原理框图如图2所示（罗光毅，蓄电池智能管理系统：浙江大学，2003）。该芯片可以检测电池过电压/欠压，并保护电池免受电池过电压/欠压损坏。针对充电和放电条件的过温保护，具有两个温度传感器TS1和TS2的单独阈值和报警，对智能列尾电池系统的温度进行实时监控，以达到运行温度安全稳定的目的。AFE充电短路和放电短路保护分别由数据闪存AFESCCHGCFG和AFESCDSGCFG寄存器配置。当AFE检测到充电中短路或放电短路故障时，充电和放电FET截止，短路保护由AFE控制。3.HDQ16总线接口将引脚P1.4配置为HDQ16总线接口与外部设备进行通讯，HDQ16通讯协议是TI的单线通讯协议。智能电池的检测模块都采用这个协议。可以通过HDQ16采集到电池电量、温度、电压和充放电状态等信息发送到外部设备。HDQ16通信采用单总线、双向通讯，开漏的输出接口，使用一种基于命令的通信协议。CPU和设备通过HDQ16接口作为桥梁连接起来。HDQ16总线单元如图3。

三、系统软件流程

软件设计主要指C8051F901的编程，采用C语言，在uVision4环境下进行开发。程序采用模块化设计，主要由主程序和各功能模块组成（陈志楚，潘峰，电动汽车动力电池管理系统：湖北汽车工业学院，2013），系统主程序流程图如图4。系统初始化包括：MUC内所有功能模块，动态数据，静态数据和扩展数据的清零，及其其他外设包括HDQ16总线的初始化。复位后，读电池的所有参数，读动态数据，静态数据和扩展部分数据。读RUN状态，当RUN=1时，bq20z45进入写状态，通过使能SMBUS与外部设备进行数据写入；当RUN=0时，MCU进入读写状态，使能SMBUS总线，MCU通过SMBUS读芯片数据，HDQ16接受数据被动传输到外部设备。同时，C8051F901单片机内置WDT（WatchdogTimer看门狗定时器)，可以实现对程序监控运行。在程序正常运行时，每隔一段时间对WDT清零（喂狗），一旦程序运行不正常，没有及时给WDT送清零信号，则WDT计数溢出使系统自动复位。

四、实验结果

绘制出的充电过程如图5所示，当电池组中的其中一个电池过充电，充电电压上升到一定阈值（4.2V）时，触发电池保护(COV)过程，启动COV检测序列2s，如果COV未被清除，则充电FET将会打开，充电电压和充电电流为0。由于电池保护的平衡性，单节电池的过充电就引起整个电池组的停止充电，电流迅速降低到0附近绘制出的放电过程如图6所示，当电池组中的其中一个电池电流在放电期间低于阈值，触发放电（OCD）检测过程的过电流保护致使放电FET打开，放电电压和放电电流为0，由于电池保护的平衡性，单节电池的过放电就会引起整个电池组的停止放电，电池不再工作。基于实时更新电池阻抗的电量监测计bq20z45算法预测的剩余电量与真正剩余电量的比较说明了bq20z45如何通过阻抗跟踪技术准确地计算出电池的剩余电量，SOC与RM的比较如图7。

五、结论

设计了一个基于C8051F901单片机和电池管理芯片bq20z45的列尾电池数字化系统。通过传感器检测技术监控电池的工作状态，包括电池的电压、电流和温度，来预测电池的荷电状态，管理电池的工作情况，有效避免了电池的过度的充放电和电池温度过高，大程度的提高电池的持续寿命和电池充放电过程的安全。实验结果表明，该设计能够使电池的充放电过程很好的满足我们的要求，同时能够满足列尾装置供电需求。

作者:郭智慧 张志 王彩申 邱华康 吴齐 单位:东莞理工学院