电动自行车锂电池保护与在线监测系统设计*

李德明

(广西师范大学物理科学与技术学院，广西 桂林 541004)

0 引言

随着互联网+项目应用发展，电动车自行车也逐步进入智能化发展趋势，电动自行车行业产品改进方向及技术提高必定是智能化。电动自行车智能化锂电池的使用趋势已经到来，面对新的电池技术和电机控制技术的发展，传统电动自行车技术满足不了客户对新技术的渴望。锂电池具有体积比、重量比能量高、单体电压高，但存在电池容量不大、大电流放电性能弱、成本高、无法循环利用等问题。特别是在电动自行车上，锂电池保护与控制系统不太成熟，替换原使用铅酸电池车辆，与其仪表不一致等多种问题，使得锂电池在电动自行车上的应用受到一定的阻力。因此完善锂电池在电动自行车上的保护与控制系统尤为重要。

现阶段大多数电动车锂电池采用纯硬件保护方案，直接使用锂电池保护IC 进行保护，该方案中电路成本较低，但是纯硬件保护方案中整个电池只有输出与关闭2 个状态。当电池被关闭时，不能直接定位到具体是某一单体锂电池故障造成电池关闭，因此对锂电池单体要求较高，使得锂电池成本较高。电动自行车在行驶过程中，功率、电压、电流、温度等状态的变化能够反应出电动车故障的大致情况，比如电流异常，电机出现故障。因此实施在线监测将数据传输反馈给管理人员分析就较为重要，采用4G 无线通信方式把监测数据传输到手机APP 显示，实现在线监测功能。另外我国北斗卫星导航系统作为我国科技发展的重要成果之一，已开始给中国和周边地区提供定位导航服务，因此，引入北斗导航技术开发应用于电动自行车的定位系统并实现产业化，有助于电动自行车智能化发展。

本文设计基于stm32f103 单片机为主控制器的电动自行车锂电池保护和在线监测系统，完成硬件电路设计和APP 软件开发调试，并验证该设计方案的可靠性。

1 系统设计原理

电动自行车用锂电池保护和在线监测系统能够有效地保障锂电池的安全、稳定的运行，能在手机APP端在线实时监测电池运行状态，并利用北斗定位系统实时查看电动车位置。系统设计将锂电池保护与监控合二为一，在对电池进行保护的前提下实现按需输出，实现对电动自行车电机控制的有效补充，提高锂电池的使用效率，同时具有实时在线监测系统，确保电池运行安全可靠。该系统与电动车控制器相连，实时读取控制器信息（控制信息、故障信息），并将此信息实时回传给服务器进行数据处理，实现车况监测与控制。

系统设计由锂电池保护模块、锂电池检测模块、锂电池输出控制模块、BD/GPS 定位模块、NB-IOT/4G网络模块、MCU 模块和电源模块组成。结构图如下所示。

图1 系统的总原理框图

锂电池保护模块，具有过充保护、过放保护、过温保护、过流保护、均衡保护等功能，对锂电池进行实时保护。对充电和放电时的电压、电流、温度进行实时检测，一旦出现过充、过放、过温、过流等情况立即进入保护，停止充放电。锂电池检测模块，可以监测每一个电池的电压、电池组总电流、温度，对锂电池进行实时检测。输出控制模块是根据负载需求进行功率的输出，实时监测电量与负载情况，实现按需输出。BD/GPS 定位模块，实时获取卫星数据，实现定位功能，并且将数据发送给单片机，单片机负责处理各个模块之间的数据，进行处理后，通过NB-IOT/4G 移动网络采用物联网协议MQTT 模式进行数据通信，通过网络发送给云服务器，云服务器完成对数据分析和存储，手机APP 调取数据显示，实现在线监测。

2 硬件电路设计分析

2.1 STM32 控制器电路设计

系统采用STM32 单片机作为主控制器，型号为STM32F103RBT6，芯片内部资源丰富，具有性价比高、功耗小等特点，适合嵌入式应用开发，STM32 主控制器的电路原理图如图2 所示[1]。

图2 单片机模块电路原理图

单片机与各模块都有连接关系，控制各模块按照需求正常稳定工作。单片机采集保护板工作温度是否正常，温度检测采用DS18B20设计。在测试时，DS18B20受热区域与电池主体接触，将其安装在合适位置[2]。单片机模块通过串行口PA9、PA10口与RS485芯片连接，实现与外围扩展模块连接，通过串口与BD/GPS定位模块相连接，通过PA1-7口与4G移动通信模块相连接，通过PB12、PB13口与锂电池检测模块相连接，通过PB5、PB7、PB8、PB9口与锂电池输出控制模块相连接。系统采用外部8MHZ晶振作为系统时钟源，在晶振的输入管脚以及输出管脚加上电容实现晶振频率稳定，STM32的程序下载方式主使用的是SWD接口下载的方式，只需要两根接口即可实现下载，操作方便且电路简单[1]。

2.2 系统电源电路设计

系统由锂电池组供电，锂电池组电压较高，需要降压才能给电路各模块芯片供电使用，电路设计采用的降压芯片是SL3036H，这是一款支持宽电压输入的开关降压型DC-DC，芯片内部有大功率MOS 管，可承受输入电压超过120V 以上。SL3036H 输出电流可达到1.5A 以上，并且还有功耗高、效率高、纹波小等特性。锂电池组电压经过SL3036H 降压输出4.2V 电压给芯片供电，4.2V 电压再经过AMS1117 稳压芯片转换为3.3V 给单片机等芯片供电，电路原理图如图3 所示[3]。

图3 电源电路原理图

2.3 锂电池检测模块电路

锂电池检测模块采用的检测传感器是DS2780E，用于测量可充电锂离子和锂离子聚合物电池的电压、温度和电流，并估算剩余电量[4]。该芯片内部有存储单元，电池特性参数和应用参数存储在片内EEPROM中，芯片根据电流温度特性、放电速率、存储电荷与应用参数对可用电量进行估算。估算电量值以mAh 和满容量的百分比为单位提供[4]。DS2780E 与主控制器STM32F103 相连，通过单总线方式与主控制器STM32F103 通信实现数据传输。

锂电池的放电曲线比较平缓，因此只依靠测量电池两端电压判断电池容量的方法得不到准确值，但是DS2780E 芯片可以测量经过电池的电量，包括充进电量值、放出电量值和里面还有电量值，它都能检测出来，通过单片机系统读取数据就可以很精确的知道电池里的剩余电量了。锂电池检测电路原理图如图4 所示。

图4 锂电池检测电路原理图

2.4 锂电池保护模块电路

锂电池保护模块电路包括两部分，分别是充电平衡控制电路和电池保护控制电路。

充电平衡控制电路采用HY2212 芯片，该芯片是锂电池充电平衡芯片，其内置高电压检测电路和延迟电路，适用于多节电池组的单节锂离子电池充电平衡控制的电平监视芯片。芯片过充检测电压是3.45V，过放检测电压是3.42V。充电平衡控制电路原理图如图5 所示，其中2N7002K 是平衡控制N-MOSFET 管，HY2212 输出端OUT 输出高电平时平衡控制有效，充电可正常进行。

图5 HY2212 电路原理图

该集成电路持续监控VDD 和VSS 之间连接的C1 和C0 之间蓄电池电压，以控制充电和放电。当电池电压超过过充检测电压时，OUT 引脚电平由低变高控制N-MOSFET 管2N7002K 打开；或电池单元电压低于过充释放电压，OUT 引脚输出管脚输出电平由高变低到控制N-MOSFET 关断，这种状态称为“正常状态”，充电时也可以正常运行。

锂电池保护控制芯片采用HY2112，芯片内置高精度电压检测电路和延迟电路，可用于单节锂电池的保护IC，适合于对单节锂电池的过充电、过放电和过电流进行保护。电路原理图如图6 所示。集成电路监控VDD 引脚和VSS 引脚之间连接的电池电压，以及CS 引脚和VSS 引脚之间的电压差，以控制充放电。

图6 HY2112 电路原理图

在正常工作状态下充电时，电池电压高于过充电检测电压，并且检测持续时间超过过充电检测延迟时间，HY2112 将关闭充电控制MOSFET 开关管停止充电，从而保护电池，这种情况称为“过充保护状态”[5]。当正常状态下放电时，电池电压低于过放电检测电压，且检测持续时间超过过放电检测延迟时间，HY2112将关闭放电控制MOSFET 开关管，停止放电，这种情况称为“过放电保护状态”[6]。HY2212 和HY2112芯片的控制输出与bq76200 驱动器连接，根据HY2212 和HY2112 芯片检测到的电池状态去控制bq76200 驱动器的工作模式。

2.5 锂电池输出控制模块电路

输出控制选用bq76200 驱动器芯片，bq76200 高侧N 通道FET 驱动器是一款电压电池组前端充放电驱动器。高侧保护避免系统接地中断，还能确保电池组与主机系统之间进行连续的通信。该器件有一个额外的P 通道FET 控件，用于以低电流预充深度耗尽的电池，还有一个PACK+主机电压监控器控件，用于感测PACK+电压。独立使能输入能够让CHG 和DSG FET 单独打开和关闭，为电池系统提供了更大的执行灵活性。即使当充放电功能电路停止工作，bq76200 也可以对电池进行不间断监视。

bq76200 数字控制端口与主控制器STM32F103 连接，bq76200 与场效应管FDB2614 连接，FDB2614与电池组正极连接，从而由STM32F103 可以控制电池组的工作状态。单片机处理器负责控制bq76200 驱动器芯片的工作使能端口，bq76200 驱动器芯片CP_EN 是充放电使能控制端口，PMON_EN 是内部工作监控使能控制端口，PCHG_EN 是场效应管预充电使能控制端口,提供在电池组中实施P 沟道MOSFET 开关管预充电路径（电流限制路径）的选项。HY2212 芯片和HY2112 芯片自动检测电池状态，根据监控到的状态去控制bq76200 驱动器芯片连接的PCHG_EN 管脚实现充电使能控制，连接DSG_EN 管脚实现放电使能控制。bq76200 驱动器芯片的PACKDIV 管脚是电池组电压输出管脚，bq76200 驱动器芯片的PMON_EN 引脚启用后，将把电池组正极电压连接到PACKDIV 引脚上，该引脚连接到外部电阻分压器，以降低电压。降低后的电压连接到单片机处理器的ADC 输入电压测量，单片机处理器可根据此电压信息（电池组总电压）检测充电器工作情况或执行其他充电控制操作，如停止充电、停止放电使能等。

过温保护单元和过流保护单元是通过单片机处理器控制输出控制模块的bq76200 驱动器芯片来实现的。当检测模块检测到电池组温度过高或者电流（电池组由电池单体串联而成，电池单体电流即为电池组的总电流）过大时，单片机处理器控制bq76200 驱动器芯片的CP_EN 充放电使能控制端口和PCHG_EN 使能端口无效，从而达到过温保护和过流保护的目的。输出控制电路原理图如图7 所示。

3 系统测试验证

3.1 电池保护控制板测试验证

电动自行车锂电池是一节一节串联连接的，电池保护板通过接口监控每节电池的正负极电压、电流、温度等参数，在电池充放电时能监控锂电池的总电压和总电流，避免充放电电压、电流工作异常，保障锂电池正常工作。电池保护板和锂电池连接示意图和实物测试图如图8 所示。

图8 电池保护板和锂电池连接示意图和实物测试图

经过对电池保护电路的调试和测试，验证该保护控制电路系统能完成对电动车锂电池的有效保护监控，系统对锂电池的充电和放电时的电压、电流、温度能实时检测，一旦出现过充、过放、过温、过流等情况立即进入保护，停止充放电，同时可以实现监测单体锂电池的电压、温度及内阻等运行参数，全面连续准确地监测锂电池状态，捕捉锂电池的潜在故障，发送预警信号[7]。

3.2 电池保护系统在线监测测试验证

在线监测功能是在手机端设计APP 软件实现，无线通信采用型号为EC20 的4G 网络通信模块，EC20模块兼容性能较好，可以实现EDGE 和GSM/GPRS 网络通信，能保障在没有3G 或4G 网络的区域也能正常通信。EC20 模块由主控制器STM32F103 控制工作状态，模块通过TXS0108E 自动双向电压转换器与主控制器相连接，匹配两者工作电压，保障电路正常通信。

系统采用北斗导航定位模块实现车辆实时定位、行驶数据分析、轨迹回放、电子围栏、防盗等功能，同时紧密结合先进的计算机技术、精密测量技术和锂电池特性，在APP 软件设计中融合了锂电池在线监测、分析、诊断功能。北斗定位模块采用的型号为Air800 模块，Air800 模块由主控制器STM32F103 读取和写入相关数据，与STM32F103 通过串口连接通信实现数据传输。

利用北斗定位模块与移动网络数据传输模块实现锂电池保护系统在线监测功能，移动网络采用物联网协议MQTT 模式进行数据通信，开发手机APP 监控软件实现数据实时传输，并经过多次修改编程，优化程序，取得理想的测试效果。在线监测测试图如图9 所示。

图9 电池保护板在线监测APP 测试图

4 结论

设计了一种基于STM32 单片机为主控制器的电动自行车锂电池在线监测系统，实现对锂电池相关工作参数的实时监测和实时保护，能够稳定可靠地监测锂电池状态，捕捉锂电池的潜在故障问题，及时作出保护措施，保证电动自行车使用安全。系统设计采用我国具有自主知识产权的北斗导航定位系统，实现电动自行车辆实施定位、行驶轨迹、电子围栏防盗报警等功能，同时融合了锂电池在线监测、分析、诊断功能，实现电池参数实时检测和故障分析。测试结果证明该设计实现对锂电池进行有效监测和安全保护，实现在线数据监测，具有较高的应用价值。