基于微控制器的動(dòng)力電池組測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

1 前言

　　作為電動(dòng)汽車(chē)的能量存儲(chǔ)部件， 電池的功率密度、儲(chǔ)電能力、安全性等不僅決定著電動(dòng)車(chē)的行駛里程和行駛速度， 更關(guān)系到電動(dòng)車(chē)的使用壽命及市場(chǎng)前景。目前， 電池在實(shí)際使用中普遍存在的問(wèn)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(chē)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(zhǎng)電池的使用壽命， 進(jìn)一步降低電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)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(guò)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?cái)?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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(guò)程序?qū)懭?。?dāng)某節(jié)電池的實(shí)際情況超過(guò)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(guò)充或過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。

　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件分為主程序、電流檢測(cè)及安時(shí)檢測(cè)、瓦時(shí)檢測(cè)、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)以及RS232程序。系統(tǒng)上電后， 主程序開(kāi)始運(yùn)行。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化， 之后進(jìn)入主循環(huán)， 然后循環(huán)調(diào)用其他子程序模塊， 完成各個(gè)參數(shù)的采集、通訊等功能。

　　上位機(jī)監(jiān)控軟件在VC + + 6. 0 編程環(huán)境下完成， 整個(gè)應(yīng)用程序采用模塊化和結(jié)構(gòu)化模式： 各個(gè)程序模塊分別設(shè)計(jì)， 然后用最小的接口組合起來(lái)， 控制明確地從一個(gè)程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個(gè)模塊。該監(jiān)控系統(tǒng)包括：

　　數(shù)據(jù)顯示： 實(shí)時(shí)顯示電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)所檢測(cè)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(shí)間先后順序存儲(chǔ)到access形式的數(shù)據(jù)庫(kù)中。讀取已存儲(chǔ)的access庫(kù)， 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(zhǔn)： 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電后， 通過(guò)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(duì)電池的信息進(jìn)行修改， 或?qū)π酒M(jìn)行軟件校準(zhǔn)等。

　　數(shù)據(jù)處理： 分析收到的電壓、溫度數(shù)據(jù)， 計(jì)算出最高、最低電壓/溫度， 及其位置信息， 并實(shí)時(shí)顯示。

　　另外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)電池容量變化的實(shí)時(shí)計(jì)算， 但實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合， 通過(guò)電流積分來(lái)進(jìn)行SOC 估算存在累計(jì)誤差， 所以需要定期修正。在上位機(jī)程序中， 有預(yù)留的模塊添加用于SOC 修正的代碼。在進(jìn)行SOC 估算的實(shí)驗(yàn)時(shí)， 可根據(jù)實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)SOC在線估算。

　　充放電設(shè)備控制： 在上位機(jī)程序中有預(yù)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(guò)程中，上位機(jī)分析收到的電池狀態(tài)和信息， 同時(shí)判斷電池組中所有電池是否發(fā)生過(guò)充電、過(guò)放電或過(guò)溫， 由于充放電設(shè)備與上位機(jī)之間存在CAN 通信， 會(huì)及時(shí)按照上位機(jī)的程序指令動(dòng)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(jī)按照預(yù)先設(shè)定好的控制策略計(jì)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(dòng)作。同時(shí)這種控制模式也可以模擬電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際運(yùn)行情況， 提高了充放電設(shè)備的智能化水平， 簡(jiǎn)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(jī)具有了更好的適應(yīng)性， 充電機(jī)只需要得到上位機(jī)提供的指令就能實(shí)現(xiàn)安全充電。

5 系統(tǒng)測(cè)試

　　為了測(cè)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(yàn)。在上位機(jī)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(shí)， 電流值保持恒定， 電壓穩(wěn)步上升， 達(dá)到截止電壓后， 電池開(kāi)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(dá)到了控制目的。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中， 充電機(jī)能夠及時(shí)準(zhǔn)確的按照上位機(jī)的編程指令動(dòng)作， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定， 實(shí)時(shí)性好， 采樣精度高， 其中電壓測(cè)量相對(duì)誤差最大值為0. 5%, 電流測(cè)量平均誤差為0. 41%,溫度測(cè)量誤差為0. 5%, 安時(shí)、瓦時(shí)計(jì)量誤差均在0. 5% 以內(nèi)， 符合設(shè)計(jì)要求。

　　6 結(jié)論

　　該測(cè)試平臺(tái)能夠準(zhǔn)確反應(yīng)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(shí)現(xiàn)電池容量和能量的高效利用提供數(shù)據(jù)支持， 達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。上位機(jī)監(jiān)控程序模塊化， 結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點(diǎn)，保證了系統(tǒng)良好的功能擴(kuò)展性， 為動(dòng)力電池的性能測(cè)試、算法驗(yàn)證、充電方法研究提供了可靠的平臺(tái)，為電動(dòng)汽車(chē)的推廣使用奠定了基礎(chǔ)。