1 前言
作為電動汽車的能量存儲部件， 電池的功率密度、儲電能力、安全性等不僅決定著電動車的行駛里程和行駛速度， 更關(guān)系到電動車的使用壽命及市場前景。目前， 電池在實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用要求。
另外， 用可測得的電池參數(shù)對電池荷電狀態(tài)( SOC,S tate- O f- Charge)作出準確、可靠的估計， 也一直是電動汽車和電池研究人員關(guān)注并投入大量精力的研究課題。因此有必要建立動力電池測試平臺， 利用該平臺對電池相關(guān)參數(shù)進行全面、精確的測量， 實現(xiàn)電池性能試驗， 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， 進一步降低電動汽車的整車成本。與以往的電池測試系統(tǒng)相比， 該測試平臺可全面監(jiān)測電池相關(guān)參數(shù)， 并加入充放電能量的計量， 可從能量的角度對電池的性能進行描述， 從能量狀態(tài)( SOE,Sta te- O f- Energy)的角度對電池的使用效率進行分析。系統(tǒng)硬件電路具有電池過電壓、欠電壓保護及均衡功能， 可對單體電池進行監(jiān)視和保護， 減小電池間的不一致性。在充放電設(shè)備與上位機之間建立通信， 控制充電機按照編程指令改變控制策略和輸出電流， 檢驗充放電電流大小、方式和環(huán)境條件對電池的電荷量及使用壽命的影響。
2 測試平臺結(jié)構(gòu)
測試平臺的結(jié)構(gòu)如圖1所示， 以單片機為核心的電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接對電池組的單體電壓、總電壓、溫度、電流、充放電容量、充放電能量等信息進行精確測量， 并通過RS232總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。由微型計算機構(gòu)成的上位機監(jiān)控系統(tǒng)， 實時顯示并記錄接收到的測試數(shù)據(jù)， 對數(shù)據(jù)進行分析， 監(jiān)控測試系統(tǒng)工作狀態(tài)。另外可根據(jù)具體的實驗要求，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， 與監(jiān)控PC 機通過CAN 通信， 可接收監(jiān)控PC機的編程控制指令。文中主要完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計并實現(xiàn)各部分之間的實時通訊。
圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示， 主要包括以下幾個模塊： 微控制器、電源模塊、電流及安時檢測模塊、瓦時檢測模塊、電壓檢測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)換電路即可實現(xiàn)與上位機之間的232通信。本設(shè)計使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)溫度檢測， 它支持1- w ire總線協(xié)議， 可利用單片機的一個端口來讀取多個檢測點的數(shù)字化溫度信息， 擴展方便。
電壓檢測采用bq76PL536 芯片， 它同時檢測3到6節(jié)電池， 測量的單只電池的電壓范圍為1~ 5V。
該芯片由所測電池直接供電， 供電電壓范圍為5. 5~ 30V。為了保證芯片在所測電池少于3 節(jié)時仍能正常工作， 電路中外接9V 的直流電源。在電池總電壓小于9V 時， 采用外部供電。該芯片具有電池過電壓， 欠電壓保護功能， 電壓閾值及檢測延遲時間這些保護參數(shù)可通過程序?qū)懭?。當某?jié)電池的實際情況超過設(shè)定的安全閾值范圍時， 芯片中電池故障寄存器相應字節(jié)置位， 從而通知充電機動作， 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管的導通與關(guān)斷， 如圖3所示。通過軟件設(shè)置， 當程序判斷出某節(jié)電池需要均衡時， 該電池對應的CBx 管腳被置位， 這時與CBx 相連接的MOS管導通， 均衡電路啟動。
圖3 均衡電路
CS5460A 芯片能夠精確檢測和計算有功電能、瞬時功率、IRM S和VRM S, 本系統(tǒng)用兩片CS5460 分別檢測電流、安時和瓦時。其中一片CS5460 采用分壓電阻檢測電壓， 分流器檢測電流， 通過軟件設(shè)置，它在每秒鐘內(nèi)對電壓、電流信號采樣4000次， 并計算出瞬時功率。通過4000次功率的累計， 芯片可自行計算出這一秒鐘內(nèi)的能量值， 即?? 瓦時 。另外一片CS5460將通過電壓測量通道測量恒壓源信號，電流測量通道測量分流器信號， 這樣測得的數(shù)值為電流與時間的積分， 即電池電量的計量單位?? 安時 , 可用于SOC 的計算。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件分為主程序、電流檢測及安時檢測、瓦時檢測、電壓檢測、溫度檢測以及RS232程序。系統(tǒng)上電后， 主程序開始運行。首先進行系統(tǒng)初始化， 之后進入主循環(huán)， 然后循環(huán)調(diào)用其他子程序模塊， 完成各個參數(shù)的采集、通訊等功能。
上位機監(jiān)控軟件在VC + + 6. 0 編程環(huán)境下完成， 整個應用程序采用模塊化和結(jié)構(gòu)化模式： 各個程序模塊分別設(shè)計， 然后用最小的接口組合起來， 控制明確地從一個程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個模塊。該監(jiān)控系統(tǒng)包括：
數(shù)據(jù)顯示： 實時顯示電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所檢測到的電池總電壓、單體電壓、電流、充放電總?cè)萘?、充放電總能量、溫度等信息?將接收到的數(shù)據(jù)按時間先后順序存儲到access形式的數(shù)據(jù)庫中。讀取已存儲的access庫， 以列表的形式在界面上顯示數(shù)據(jù)。
參數(shù)設(shè)置及校準： 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電后， 通過RS232接口和PC 之間的通訊， 根據(jù)事先設(shè)定的通信協(xié)議， 對電池的信息進行修改， 或?qū)π酒M行軟件校準等。
數(shù)據(jù)處理： 分析收到的電壓、溫度數(shù)據(jù)， 計算出最高、最低電壓/溫度， 及其位置信息， 并實時顯示。
另外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已實現(xiàn)電池容量變化的實時計算， 但實際應用場合， 通過電流積分來進行SOC 估算存在累計誤差， 所以需要定期修正。在上位機程序中， 有預留的模塊添加用于SOC 修正的代碼。在進行SOC 估算的實驗時， 可根據(jù)實時收到的電池相關(guān)參數(shù)， 結(jié)合程序事先設(shè)置好的修正方法， 實現(xiàn)SOC在線估算。
充放電設(shè)備控制： 在上位機程序中有預留的模塊用于添加充放電設(shè)備的控制程序， 使電池的電壓、溫度、充放電容量、充放電能量等相關(guān)參數(shù)都能參與電池的充放電控制和管理。在電池充放電過程中，上位機分析收到的電池狀態(tài)和信息， 同時判斷電池組中所有電池是否發(fā)生過充電、過放電或過溫， 由于充放電設(shè)備與上位機之間存在CAN 通信， 會及時按照上位機的程序指令動作。這種控制模式可以方便的用于電池組充放電策略的研究， 上位機按照預先設(shè)定好的控制策略計算出充放電設(shè)備的電壓、電流控制值， 并發(fā)送給充放電設(shè)備使其動作。同時這種控制模式也可以模擬電動汽車的實際運行情況， 提高了充放電設(shè)備的智能化水平， 簡化了充電工作人員設(shè)置充電參數(shù)等繁瑣的工作， 使得充電機具有了更好的適應性， 充電機只需要得到上位機提供的指令就能實現(xiàn)安全充電。
5 系統(tǒng)測試
為了測試該系統(tǒng)， 使用3. 7V /80Ah的錳酸鋰電池做恒流恒壓充電試驗。在上位機程序中設(shè)置如下參數(shù)： 恒流階段充電電流80A, 充電截止電壓4. 2V,恒壓階段截止電流0. 1A, 得到的充電曲線如圖4所示。
圖4 恒流恒壓充電曲線
從圖中可以看到， 在恒流充電時， 電流值保持恒定， 電壓穩(wěn)步上升， 達到截止電壓后， 電池開始恒壓充電， 電壓值基本穩(wěn)定， 電流值逐漸下降至截止電流， 達到了控制目的。在整個測試過程中， 充電機能夠及時準確的按照上位機的編程指令動作， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定， 實時性好， 采樣精度高， 其中電壓測量相對誤差最大值為0. 5%, 電流測量平均誤差為0. 41%,溫度測量誤差為0. 5%, 安時、瓦時計量誤差均在0. 5% 以內(nèi)， 符合設(shè)計要求。
6 結(jié)論
該測試平臺能夠準確反應電池狀態(tài)的變化， 為最大限度的發(fā)揮電池性能， 提高電池使用效率， 實現(xiàn)電池容量和能量的高效利用提供數(shù)據(jù)支持， 達到了設(shè)計要求。上位機監(jiān)控程序模塊化， 結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點，保證了系統(tǒng)良好的功能擴展性， 為動力電池的性能測試、算法驗證、充電方法研究提供了可靠的平臺，為電動汽車的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。
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