基于ATmega8的電動(dòng)車蓄電池智能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘　要：本文以ATmega8單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種分布式、模塊化、通過LIN總線通信且具有智能化充電功能的電動(dòng)車蓄電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多組蓄電池的有效監(jiān)測(cè)和管理。
關(guān)鍵詞：蓄電池管理系統(tǒng) ；智能化充電；LIN總線

引言
    電動(dòng)汽車的無(低)污染優(yōu)點(diǎn),使其成為當(dāng)代汽車發(fā)展的主要方向。電動(dòng)汽車的發(fā)展需要解決兩大難題，即能量存儲(chǔ)和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。由于短期內(nèi)動(dòng)力電池儲(chǔ)能不足的問題難以解決，使能量管理技術(shù)成為電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵。在傳統(tǒng)充電技術(shù)中，常用的恒壓充電、恒壓限流充電、恒流充電等模式，都是由人工控制充電過程,大多存在著嚴(yán)重的過充電現(xiàn)象。充電質(zhì)量的好壞，直接影響蓄電池的使用壽命。而新型蓄電池智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，就是為了在線檢測(cè)動(dòng)力電池狀態(tài)，提高充電質(zhì)量和效率，使操作人員只擔(dān)任輔助性工作。

圖1系統(tǒng)原理框圖

管理系統(tǒng)的組成及硬件設(shè)計(jì)
    本文設(shè)計(jì)的智能化管理系統(tǒng)是一種分布式、模塊化的車載電池監(jiān)控系統(tǒng)，它主要由主控模塊、可控充電系統(tǒng)模塊、電壓采集子模塊、溫度采集子模塊、電流測(cè)量子模塊及顯示模塊構(gòu)成，通過LIN總線實(shí)現(xiàn)相互通信。該管理系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖2  LIN總線通信電路圖

LIN總線通信電路
    LIN總線的通信簡(jiǎn)單，方便，使智能電源管理系統(tǒng)與汽車的各系統(tǒng)之間既相互聯(lián)系又相對(duì)獨(dú)立，從而克服了目前電池管理的漏洞，能使汽車和汽車蓄電池的安全性和可控性得到大大的提高。圖2為其具體電路，本設(shè)計(jì)中各個(gè)模塊均包含該電路，以此實(shí)現(xiàn)信息共享和傳輸，本設(shè)計(jì)中實(shí)際通信波特率為1200bps。其中，pc817起到隔離作用，max1487保證收發(fā)信號(hào)在時(shí)間上錯(cuò)開。

電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
    對(duì)多個(gè)蓄電池串聯(lián)的電壓測(cè)量方法主要有變阻分壓，繼電器開關(guān)切換，分布式電壓測(cè)量3種方案。本設(shè)計(jì)的檢測(cè)對(duì)象是4組并聯(lián)、每組為40節(jié)串聯(lián)的末端電壓為48V的電池組，其單節(jié)電池標(biāo)稱電壓為1.2V，主要用來檢測(cè)電池狀態(tài)，避免其中的單節(jié)壞電池影響使用，要求的精確度不是很高。所以，每個(gè)測(cè)壓模塊測(cè)量一組電池，即以每8節(jié)電池為一單元進(jìn)行測(cè)量?？紤]到工藝及成本，測(cè)壓電路采用變阻分壓與繼電器開關(guān)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)。

圖3電壓測(cè)量電路圖

    如圖3所示，U1~U5為分壓后電平，分別連接在單片機(jī)帶A/D轉(zhuǎn)換功能的PC0-PC4口，完成電壓采樣。在進(jìn)行可調(diào)電阻R1和固定電阻R2的參數(shù)選擇時(shí)，其分壓應(yīng)保證Ui≤5V，即對(duì)第i路采樣，
 
    其中，Umax為單元電池組的最大電壓。 本設(shè)計(jì)采用繼電器開關(guān)，用以檢測(cè)模塊不工作時(shí)是否徹底與電池組斷開，避免電池小電流放電；采用可調(diào)電阻，在A/D轉(zhuǎn)換后的程序處理中可以采用統(tǒng)一的變量設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化程序，方便實(shí)際調(diào)試。

溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)
    在溫度測(cè)量模塊中主要使用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，該器件的主要特點(diǎn)為：獨(dú)特的單線接口只需一個(gè)接口引腳即可通信；多點(diǎn)能力使分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用得以簡(jiǎn)化；不需要外部組件；可用數(shù)據(jù)線供電；不需要備份電源；測(cè)量范圍為-55℃~+125℃，增量值為0.5℃；以9位數(shù)字值方式讀出溫度；具有用戶可定義的、非易失性的溫度告警裝置。此外，由于每一個(gè)DS18B20有唯一的系列號(hào)，因此，多個(gè)DS18B20可以存在于同一條單線總線上，給應(yīng)用帶來了極大的方便。

圖4  可控充電模塊主電路

可控充電模塊設(shè)計(jì)
    該模塊(見圖4)是實(shí)際設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，它與外電網(wǎng)相連，對(duì)車載電池進(jìn)行充電，并能根據(jù)控制電路發(fā)出的指令或標(biāo)志位，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池分階段、以不同電流進(jìn)行充電，且有自動(dòng)斷電的功能，實(shí)現(xiàn)智能充電。根據(jù)實(shí)際需要的大功率、高電壓的特點(diǎn)，其主電路采用全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出回路采用全橋整流，同時(shí)，為改善功率開關(guān)器件的工作狀態(tài)，主電路采用了軟開關(guān)技術(shù)。

圖5 主控及液晶顯示模塊電路圖

主控及液晶顯示模塊
    主程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其根據(jù)需要從各模塊收集數(shù)據(jù)，判斷分析數(shù)據(jù)，并把相關(guān)信息顯示在液晶屏上。當(dāng)處于充電狀態(tài)時(shí)，根據(jù)電流采集子模塊發(fā)送的信息，結(jié)合電池電壓參數(shù)和溫度測(cè)量值進(jìn)行充電控制，依據(jù)電流測(cè)量模塊計(jì)算的電量值，實(shí)現(xiàn)充電模式的判別和轉(zhuǎn)變，當(dāng)電充滿時(shí)，單片機(jī)將對(duì)數(shù)據(jù)設(shè)立標(biāo)志，使可控充電模塊斷開繼電器，充電電路與電池組斷開。

    本設(shè)計(jì)采用內(nèi)置T6963C的MGLS240128T點(diǎn)陣液晶顯示模塊。顯示及主控模塊的電路如圖5所示。其中，VCC為5V電源，D0~D7與MC68HC912D60A的一個(gè)8位數(shù)據(jù)口相連，引腳5、6、8為控制口，用來控制液晶顯示模塊的讀寫操作，RST(10腳)為液晶顯示模塊硬件復(fù)位腳。V0口輸入液晶顯示驅(qū)動(dòng)電壓，滑動(dòng)變阻器用來調(diào)節(jié)液晶顯示亮度。

軟件編程及測(cè)試
    本管理系統(tǒng)的核心軟件是在ICCAVR編譯環(huán)境下用C語言編程實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)硬件設(shè)計(jì)中的模塊化設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊中均有一個(gè)ATmega8芯片，所以，在編程時(shí)按照模塊任務(wù)進(jìn)行單獨(dú)編程，子模塊主程序基本包含模塊初始化和數(shù)據(jù)處理，以及串口接收和發(fā)送中斷程序，在串口中斷程序中，主控模塊發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，各子模塊在中斷程序中根據(jù)收到的相關(guān)數(shù)據(jù)串向主控模塊發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)。此外，各子模塊根據(jù)主控模塊返回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)際器件的操作，管理系統(tǒng)就這樣通過LIN總線進(jìn)行通信及操作。在通信的軟件調(diào)試中，通過使用串口調(diào)試軟件，并將總線數(shù)據(jù)通過串口連接到PC上，便于監(jiān)測(cè)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行調(diào)試。

結(jié)語
    本設(shè)計(jì)采用ATmega8單片機(jī)，充分利用了其外圍接口多、功能強(qiáng)的特點(diǎn)，操作方便、成本低。整個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)在一款電動(dòng)工程車上使用，系統(tǒng)穩(wěn)定。