0 引 言

近年来，锂电池由于其使用寿命长、自放电效应小、单体电池端电压大、能量密度高以及无记忆效应等特点，成为主流电池之一，被广泛应用[1]。但锂电池也有自身的缺点，在充放电过程中，其过充、过放会导致电池性能下降、容量缩小、使用寿命缩短；其回路电流过大会导致电路烧毁甚至爆炸；大容量的锂电池组结构较为复杂，电池数量较多，增加了保护的难度[2]。目前的电池保护系统主要采用对多节电池构成的电池包进行整体保护，难以对单节锂电池进行精确保护[3-4]。针对上述几点问题，本文设计了一种以MSP430为核心控制芯片的锂电池组充放电保护系统，采用分级控制的保护模式，实现了对锂电池组以及单节锂电池过充、过放以及过流的保护。

1 系统设计

  

图1 系统总体设计

本文采用松下公司的18650锂电池构成锂电池组，由5路电池并联构成，每一路电池由10节锂电池串联形成。单节锂电池的额定电压为3.6 V，电池组总容量为16 A·h，最高总电压为42 V，可持续放电电流可达8 A。锂电池组充放电保护系统的结构如图1所示。

采集模块用来采集锂电池的电压和电流，并将这些数据送至单片机；控制模块以MSP430为核心控制芯片，根据锂电池的实际电压和电流控制锂电池的停充与停放；均衡模块对状态不正常的锂电池进行调整，使其恢复到正常的状态，减少锂电池的损坏[5]。

定义1[1-2] 设表示一个实数集R上的直觉梯形模糊数，其参数a

锂电池组充放电保护系统的保护方式分为2个层级。

(1)预设每一路锂电池过充、过放以及过流的阀值电压和电流，当任何一路锂电池的电压或者电流在充放电过程中超过了预设阀值，停止充放电，并对每一路锂电池进行均衡控制，使其电池状态回到安全范围之内。

在软件“审批”功能下，使用者可以根据实际情况设计表单内容。同时，软件还支持将审批内容统一生成表格文件，便于汇总。这一功能将有助于实现学生信息采集工作高效率完成。①信息采集工作的主体为学生本人。本人信息的填报极大地降低了错误发生的可能性。②通过审批记录能够准确定位未填写学生姓名，实现动态监管，保证在时间节点内完成。③软件形成的表单可直接编辑整理，便于对接学校的学生管理系统。

(2)锂电池组过放保护。在放电过程中，锂电池的放电倍率不能过大，否则会引起电池内部温度快速升高导致锂电池使用寿命缩短。系统预设放电阀值电压为2.5 V，当锂电池在放电过程中，单节电池电压低于2.5 V或者每一路电池总电压低于25 V时，停止放电，防止过放。

2 硬件设计

根据锂电池组充放电保护系统所要实现的功能以及该系统的总体设计，本文在硬件设计中采用分级控制的方法对每节单体锂电池以及每一路锂电池组进行保护，主要包括采集模块与均衡模块以及这两个模块与控制模块之间的关联设计。

2.1 控制模块

  

图2 控制模块引脚接口及外围电路

本锂电池组充放电保护系统采用MSP430fr5947作为控制芯片，MSP430系列单片机是一种超低功耗的处理器。控制芯片各引脚接口如图2所示。

MSP430单片机的ADC通道外接数据采集电路，采集锂电池组的电压和电流，LFXIN和LFXOUT为晶振的输入输出，IO1—IO5为5路电池的输出使能端，同时还外接自检电路和均衡电路[6]。按下按键S1，锂电池组电压自检，安全状态下同时拉高IO1—IO5，锂电池组环路激活，开始放电，再次按下，断开电路；按下按键S2，检测一路锂电池单节电池电压，再次按下，切换检测下一路；按下按键S3，检测单路锂电池充电电流。

2.2 采集模块

在电压检测中，采集每一路电池的单节单体电池电压以及每一路电池总电压，然后切换至下一路电池，直至5路电池采集完毕。本文采用一种简单有效的电压采集电路，如图3所示。

普通高校社区学院以非学历教育培训为主要形式。少数社区成员具有学历提升的需求，希望通过成人高等教育、远程教育取得学历层次的进一步提升。而多数社区成员接受的社会培训则以非学历教育培训为主，他们不以学历为主要学习目的，而是以提高自身综合素养和生活品质为目的。

2.2.1 电压信号采集

每一路电池通过一个分压电路，由MSP430的ADC通道采集到每个单体锂电池的端电压。分压电路电压比例如下：

乐视实施的多元化战略经营既可使企业规避一定的政策、财务、原有产业经营风险等，同时也会带来一定的弊端，企业应认清风险从而决定多元化战略。从上面的分析可以看出，在比对乐视多元化经营战略的选择性原则时，从当时的经济历史环境下，继续以视频网站为主业务，走专业化道路存在市场空间压缩，利润率低且收入来源单一，一旦视频网站发展遇到问题形成风险将可能导致资金链断裂，企业被市场淘汰。分析中还可以发现乐视在所从事的视频网站行业由于缺乏先进可持续的良好盈利模式及经营模式且已基本处于行业发展的成熟期，加之时年视频行业逐渐兴起构架全产业链业务体系，向硬件设备深入协同发展，乐视不可避免的走上了多元化经营的道路。

 

(1)

(1)锂电池组过流保护。启动锂电池组充放电保护系统时进行电池组状态自检，系统预设每路电池组之间单体电池最高电压差为3 V，当检测其值超过3 V时，判定回路电流过大，直接进入掉电模式，防止过流，保护锂电池组。

在均衡电路中，通过微处理器运算处理，得出单节锂电池电压与锂电池组平均电压的差值，与系统预设差值比较，导通相应锂电池对应的开关，将电池多余的能量存储至电容C，或者将电容中的能量转移至能量较低的电池，使每一路电池组以及每节单体电池能量尽量趋于一致并处于安全范围之内，形成对锂电池组的两级充放电保护。

以采样电阻作为电流传感器，通过采集采样电阻的端电压来获取每一路电池组的充电电流[7]，在锂电池组充电过程中，采用切换充电方式，分别对每一路电池组进行单独充电。电流采集电路如图4所示。

  

图3 电压采集电路

  

图4 电流采集电路

在锂电池组的负极串联一个采样电阻，INGND为MSP430单片机的地，在充电过程中，充电电流从电池组负极流入，经过采样电阻流向INGND，IN/ADC连接MSP430的ADC通道，经过降噪电路，检测Ur节点的电压，获取采样电阻的端电压，由单片机对它进行A/D转换和采样，采样电阻r为0.15 Ω。采样电流I为

习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：要做好在高校教师和学生中发展党员工作，加强党员队伍教育管理，使每个师生党员都做到在党爱党、在党言党、在党为党。学生公寓是高校育人的重要阵地，要积极推进党组织进公寓，以党员工作站为抓手，以改革创新的精神，积极实施“党建进学生公寓工程”将党建工作延伸进学生公寓，打通整个党组织“神经末梢”，充分发挥了党员在生活中的各种模范带头作用。

 

(2)

2.3 均衡模块

在锂电池组充放电保护过程中，有以下几种保护方式。

  

图5 储能均衡管理电路

  

图6 均衡驱动电路

2.2.2 电流信号采集

在驱动电路中，由于IRFP3710型号场效应管的驱动电压较高，为了使驱动电压高于MOSFET的开启阀值并提供足够的瞬时电流，保证MOSFET开关的响应速度，选择PC923作为驱动器件，这种含有光电耦合的隔离放大IC是专为MOSFET设计的，供电电压范围为15～30 V，输出驱动电流为0.4 A，驱动能力强，性能稳定，响应速度快。驱动器件PC923连接MSP430的正极与地，并给它提供15 V的供电电压，驱动Qc来控制开关的导通和关闭。

3 软件设计

在锂电池充放电保护系统的软件设计中，需要实时对锂电池组当前的工作状态进行判断，当出现问题时及时启动保护系统。系统软件设计流程如图7所示。在均衡控制模块的软件设计中，通过采集模块采集得到的电压，经过微处理器的运算与比较，启动均衡管理电路对锂电池组进行均衡管理控制。均衡管理的软件设计如图8所示。

  

图7 保护系统软件设计流程

  

图8 均衡控制软件设计流程

本文采用稳定性更高的储能型均衡电路来作为锂电池组充放电管理系统的均衡模块。均衡管理电路如图5所示。采用IR公司的IRFP3710型号的MOSFET场效应管作为均衡模块中的开关元器件，驱动电路要求结构简单、损耗低且能在MOSFET场效应管栅极和源极之间提供足够的电压来控制开关的导通和断开，驱动电路如图6所示。

裴主事和护卫都安静地看着峋四爷，他们都知道，只要过了最后这道关口，铜炉就会易主，价格倒是次要的，峋四爷不差钱。

式中，U1为锂电池组中单体锂电池端电压，U2为ADC脚所测得的实际电压，R1，R2，R3为分压电路中分压电阻。ADC1测试锂电池1的电压信号，ADC1脚电压为0～0.21 V，对应锂电池1的端电压为0～4.2 V，以此类推，得到电池组中每节单体锂电池的电压以及每一路锂电池的总电压，通过处理器与预设阀值电压进行比较，形成两级保护。

(2)预设每一路电池组中单节电池的过充、过放电压，当单节锂电池电压超过预设阀值后，停止充放电，并对每一路电池组中的单节电池进行均衡控制，使每节单体电池的电池状态趋于一致并处于安全范围之内。

(3)锂电池组过充保护。在充电过程中，对锂电池组进行三阶段充电。涓流充电阶段使用小电流充电将锂电池组的电压充至下限门阀电压之上。变电流间歇充电阶段分为充电期和间歇期，在充电期对锂电池采取阶梯递减的输入电流进行充电，然后进入短暂的停充期，变电流间歇充电法提升了充电速度，在间歇期减小了电池的极化现象。恒压充电阶段采用恒定电压对电池进行充电。系统预设充电阀值电流为0.32 A，每一路锂电池充电电流降至0.32 A时，停止充电，防止过充。

在均衡管理中，系统设定单节锂电池电压Ui与锂电池的平均电压Uave之间的最大压差ΔUmax为200 mV，在ΔU超过200 mV时，启动均衡管理对电池状态进行控制。同时设定单节锂电池电压Ui与锂电池的平均电压Uave的安全阀值压差ΔUmin为50 mV，经过均衡管理，在ΔU低于50 mV时，结束均衡管理。

  

图9 锂电池组充放电保护系统实物

4 实验测试

锂电池组充放电保护系统由锂电池组和控制板块构成，在控制板块中有充电接口、放电接口、单片机的供电接口以及按键模块等，实物如图9所示。

开始放电之前，自检系统启动，5路电池单体锂电池最高电压差超过3 V，进入保护模式，起到了对回路电流过大的保护。表1为锂电池组开始放电前，锂电池组充放电保护系统自检测各个单体锂电池的电压，结果正常，开始放电。

 

表1 放电前电压自检表 V

  

电池组单节最高电压单节最低电压总电压第一路3.803.7437.62第二路3.903.6937.86第三路3.823.7437.73第四路3.803.7337.52第五路4.013.7537.95

对锂电池进行放电实验，单节锂电池容量为3 200 mA·h，一路电池以1.6 A的放电电流恒流放电，锂电池组的总放电时长约为20 h。锂电池组在放电过程中的电压变化如图10所示。对锂电池组进行三阶段充电实验，锂电池组在充电过程中的充电电流如图11所示。

关于本组80例患者的扫描诊断情况，如表1所示。多层螺旋CT与MRI检查肺动脉栓塞显示率均为100%，图像质量较高，且多层螺旋CT扫描时间短于MRI（P＜0.05）。

海尔对于用户安全问题永远放在产品研发的第一位，随着海尔研发体系不断增强，产品在服务、智能化、安全、品质等方面不断迭代升级，为消费者带来不断升级的价值服务。据了解，目前海尔厨电在全球拥有5大研发中心，包括美国-路易斯维尔研发中心、意大利-巴萨诺研发中心、新西兰-达尼丁研发中心等。在5大研发中心的开放研发体系支撑下，海尔拥有了行业难以望其项背的科技实力。

  

图10 锂电池组放电过程中电压变化

  

图11 锂电池组充电过程中电流变化

在放电过程中，当一路锂电池组的总电压降到下限阈值电压25.00 V时，结束放电，防止电池组过放。在充电过程中，当充电时间接近180 min时，充电电流减小到0.32 A，判断锂电池组电量充满，停止充电，防止过充。实验结果表明，锂电池组充放电保护系统能够有效防止每一路锂电池的过充及过放，实现第一层级的保护。

罗香看着他，坚定地道：“不要说了，我不会去找他，今生都不会。他身边不缺人，他那样的人，身边怎会缺人？既然如此，多一个少一个无所谓。你身边没人，一个都没有。你一个人，只有七根手指，我们两个人，有十七根手指，够了。不用怕，什么也不用怕。”

同时锂电池组充放电保护系统对每节单体锂电池进行保护，表2为充电过程中第5路锂电池组中每节单体锂电池的端电压。

 

表2 第5路电池组每节单体电池均衡控制前后电池电压 V

  

电池编号均衡控制前电压均衡控制后电压电池编号均衡控制前电压均衡控制后电压5-13.783.805-63.793.815-23.753.785-73.803.815-33.773.795-83.773.825-44.013.835-93.783.795-53.753.785-103.753.78

在充电过程中，电池5-4电压明显偏高，会导致在充电时电池5-4可能会出现过充现象，根据本文提出的均衡管理方法，使用储能型均衡管理方式对第5路电池进行均衡控制，在进行均衡控制后，电池5-4的电压与该路其他电池趋于一致，防止了单节锂电池的过充，实现第二层级的保护。

5 结束语

本文设计的锂电池组充放电保护系统通过分级保护的模式实现了对锂电池组及单节锂电池的过充、过放以及过流的保护，解决了单节电池的精确保护问题，提高了锂电池的寿命及其使用安全性。在本设计的基础上，将进一步深入研究，对系统进行扩展，采用多级保护模式，实现对更复杂的锂电池组的保护。

参考文献

[1] NORDANG S, TOFTEVAAG T. Investigation of characteristics regarding lithium-ion battery cells for an electric race car application[C]//Hybrid and Electric Vehicles Conference (HEVC 2016), 6th. IET, 2016:1-6.

[2] 尤国平.基于单片机的锂电池充放电电路设计[J].科技广场,2016(5):58-61.

[3] 郭晓际.特斯拉纯电动汽车技术分析[J].科技导报,2016,34(6):98-104.

[4] YANG W, LI L, ZHAN J. Design for power lithium battery management system of electric vehicle[C]//Information Management, Innovation Management and Industrial Engineering (ICIII), 2013 6th International Conference on. IEEE, 2013,3:239-242.

[5] OUYANG Q, CHEN J, XU C, et al. Cell balancing control for serially connected lithium-ion batteries[C]//American Control Conference (ACC), 2016. IEEE, 2016:3095-3100.

[6] HAQ I N, LEKSONO E, IQBAL M, et al. Development of battery management system for cell monitoring and protection[C]//Electrical Engineering and Computer Science (ICEECS), 2014 International Conference on. IEEE, 2014:203-208.

[7] 刘春玉,黄亮,张立炎,等.3种双向电流检测方法的实验比较[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2012,34(4):451-454.