基于MC9S12DT128B的電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要： 隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 電池需求數(shù)量急劇增長， 對(duì)電池測(cè)試設(shè)備的需求也在同步增長。提出了一種電池組測(cè)試平臺(tái)， 并著重介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。以MC9S12DT128B微控制器為核心的電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的相關(guān)信息， 并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)， 為電池狀態(tài)估算提供依據(jù)。上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)用VC++ 編寫， 用于數(shù)據(jù)的讀取及存儲(chǔ)、參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)， 同時(shí)可以控制充放電設(shè)備按照編程指令輸出電流， 以滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 本系統(tǒng)對(duì)電池信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)具有較高的精度， 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。

　　1 前言

　　目前， 電池在實(shí)際使用中普遍存在的問題是電荷量不足， 一次充電行駛里程難以滿足實(shí)用要求。

　　另外， 用可測(cè)得的電池參數(shù)對(duì)電池荷電狀態(tài)( SOC,S tate- O f- Charge)作出準(zhǔn)確、可靠的估計(jì)， 也一直是電動(dòng)汽車和電池研究人員關(guān)注并投入大量精力的研究課題。因此有必要建立動(dòng)力電池測(cè)試平臺(tái)， 利用該平臺(tái)對(duì)電池相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全面、精確的測(cè)量， 實(shí)現(xiàn)電池性能試驗(yàn)， 工況模擬和算法研究， 確定最合理的充放電方式及更為精確的SOC 估算方法， 從而合理的分配和使用電池有限的能量， 盡可能延長電池的使用壽命， 進(jìn)一步降低電動(dòng)汽車的整車成本。與以往的電池測(cè)試系統(tǒng)相比， 該測(cè)試平臺(tái)可全面監(jiān)測(cè)電池相關(guān)參數(shù)， 并加入充放電能量的計(jì)量， 可從能量的角度對(duì)電池的性能進(jìn)行描述， 從能量狀態(tài)( SOE,Sta te- O f- Energy)的角度對(duì)電池的使用效率進(jìn)行分析。系統(tǒng)硬件電路具有電池過電壓、欠電壓保護(hù)及均衡功能， 可對(duì)單體電池進(jìn)行監(jiān)視和保護(hù)， 減小電池間的不一致性。在充放電設(shè)備與上位機(jī)之間建立通信， 控制充電機(jī)按照編程指令改變控制策略和輸出電流， 檢驗(yàn)充放電電流大小、方式和環(huán)境條件對(duì)電池的電荷量及使用壽命的影響。

　　2 測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　測(cè)試平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 以單片機(jī)為核心的電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接對(duì)電池組的單體電壓、總電壓、溫度、電流、充放電容量、充放電能量等信息進(jìn)行精確測(cè)量， 并通過RS232總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。由微型計(jì)算機(jī)構(gòu)成的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)， 實(shí)時(shí)顯示并記錄接收到的測(cè)試數(shù)據(jù)， 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 監(jiān)控測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)。另外可根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)要求，控制充放電設(shè)備按照編程指令輸出電流， 模擬電池在某些特定條件下的使用情況。充放電設(shè)備實(shí)現(xiàn)電池組的充放電， 完成電池和電網(wǎng)之間能量的雙向流動(dòng)， 與監(jiān)控PC 機(jī)通過CAN 通信， 可接收監(jiān)控PC機(jī)的編程控制指令。文中主要完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)各部分之間的實(shí)時(shí)通訊。

　　圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示， 主要包括以下幾個(gè)模塊： 微控制器、電源模塊、電流及安時(shí)檢測(cè)模塊、瓦時(shí)檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊以及通信接口電路。

　　圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

　　微控制器采用的是MC9S12DT128B 芯片， 該芯片具有串行接口、CAN 控制器等豐富的外圍資源，只需加入電平轉(zhuǎn)換電路即可實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的232通信。本設(shè)計(jì)使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)， 它支持1- w ire總線協(xié)議， 可利用單片機(jī)的一個(gè)端口來讀取多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的數(shù)字化溫度信息， 擴(kuò)展方便。

　　電壓檢測(cè)采用bq76PL536 芯片， 它同時(shí)檢測(cè)3到6節(jié)電池， 測(cè)量的單只電池的電壓范圍為1~ 5V。

　　該芯片由所測(cè)電池直接供電， 供電電壓范圍為5. 5~ 30V。為了保證芯片在所測(cè)電池少于3 節(jié)時(shí)仍能正常工作， 電路中外接9V 的直流電源。在電池總電壓小于9V 時(shí)， 采用外部供電。該芯片具有電池過電壓， 欠電壓保護(hù)功能， 電壓閾值及檢測(cè)延遲時(shí)間這些保護(hù)參數(shù)可通過程序?qū)懭?。?dāng)某節(jié)電池的實(shí)際情況超過設(shè)定的安全閾值范圍時(shí)， 芯片中電池故障寄存器相應(yīng)字節(jié)置位， 從而通知充電機(jī)動(dòng)作， 防止電池過充或過放。在芯片外圍， 有MOS管與電阻構(gòu)成的均衡電路， 芯片的CBx管腳可以控制MOS管的導(dǎo)通與關(guān)斷， 如圖3所示。通過軟件設(shè)置， 當(dāng)程序判斷出某節(jié)電池需要均衡時(shí)， 該電池對(duì)應(yīng)的CBx 管腳被置位， 這時(shí)與CBx 相連接的MOS管導(dǎo)通， 均衡電路啟動(dòng)。

　　圖3 均衡電路

　　CS5460A 芯片能夠精確檢測(cè)和計(jì)算有功電能、瞬時(shí)功率、IRM S和VRM S, 本系統(tǒng)用兩片CS5460 分別檢測(cè)電流、安時(shí)和瓦時(shí)。其中一片CS5460 采用分壓電阻檢測(cè)電壓， 分流器檢測(cè)電流， 通過軟件設(shè)置，它在每秒鐘內(nèi)對(duì)電壓、電流信號(hào)采樣4000次， 并計(jì)算出瞬時(shí)功率。通過4000次功率的累計(jì)， 芯片可自行計(jì)算出這一秒鐘內(nèi)的能量值， 即?? 瓦時(shí) 。另外一片CS5460將通過電壓測(cè)量通道測(cè)量恒壓源信號(hào)，電流測(cè)量通道測(cè)量分流器信號(hào)， 這樣測(cè)得的數(shù)值為電流與時(shí)間的積分， 即電池電量的計(jì)量單位?? 安時(shí) , 可用于SOC 的計(jì)算。