基于MC9S12DT128B的电池数据采集系统设计 - 全文

　　摘要： 随着电动汽车产业的发展， 电池需求数量急剧增长， 对电池测试设备的需求也在同步增长。提出了一种电池组测试平台， 并着重介绍了数据采集系统与上位机监控系统的设计。以MC9S12DT128B微控制器为核心的电池数据采集系统， 实时检测电池的相关信息， 并将数据发送至上位机， 为电池状态估算提供依据。上位机监控系统用VC++ 编写， 用于数据的读取及存储、参数设置、校准， 同时可以控制充放电设备按照编程指令输出电流， 以满足不同的实验要求。经实验验证， 本系统对电池信息进行实时检测具有较高的精度， 系统运行稳定、可靠。

　　1 前言

　　目前， 电池在实际使用中普遍存在的问题是电荷量不足， 一次充电行驶里程难以满足实用要求。

　　另外， 用可测得的电池参数对电池荷电状态( SOC,S tate- O f- Charge)作出准确、可靠的估计， 也一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力的研究课题。因此有必要建立动力电池测试平台， 利用该平台对电池相关参数进行全面、精确的测量， 实现电池性能试验， 工况模拟和算法研究， 确定最合理的充放电方式及更为精确的SOC 估算方法， 从而合理的分配和使用电池有限的能量， 尽可能延长电池的使用寿命， 进一步降低电动汽车的整车成本。与以往的电池测试系统相比， 该测试平台可全面监测电池相关参数， 并加入充放电能量的计量， 可从能量的角度对电池的性能进行描述， 从能量状态( SOE,Sta te- O f- Energy)的角度对电池的使用效率进行分析。系统硬件电路具有电池过电压、欠电压保护及均衡功能， 可对单体电池进行监视和保护， 减小电池间的不一致性。在充放电设备与上位机之间建立通信， 控制充电机按照编程指令改变控制策略和输出电流， 检验充放电电流大小、方式和环境条件对电池的电荷量及使用寿命的影响。

　　2 测试平台结构

　　测试平台的结构如图1所示， 以单片机为核心的电池数据采集系统直接对电池组的单体电压、总电压、温度、电流、充放电容量、充放电能量等信息进行精确测量， 并通过RS232总线将数据发送到上位机。由微型计算机构成的上位机监控系统， 实时显示并记录接收到的测试数据， 对数据进行分析， 监控测试系统工作状态。另外可根据具体的实验要求，控制充放电设备按照编程指令输出电流， 模拟电池在某些特定条件下的使用情况。充放电设备实现电池组的充放电， 完成电池和电网之间能量的双向流动， 与监控PC 机通过CAN 通信， 可接收监控PC机的编程控制指令。文中主要完成数据采集系统、上位机监控系统的设计并实现各部分之间的实时通讯。

　　图1 平台结构图

　　3 系统硬件设计

　　数据采集系统硬件结构如图2所示， 主要包括以下几个模块： 微控制器、电源模块、电流及安时检测模块、瓦时检测模块、电压检测模块以及通信接口电路。

　　图2 硬件结构图

　　微控制器采用的是MC9S12DT128B 芯片， 该芯片具有串行接口、CAN 控制器等丰富的外围资源，只需加入电平转换电路即可实现与上位机之间的232通信。本设计使用数字温度传感器DS18B20来实现温度检测， 它支持1- w ire总线协议， 可利用单片机的一个端口来读取多个检测点的数字化温度信息， 扩展方便。

　　电压检测采用bq76PL536 芯片， 它同时检测3到6节电池， 测量的单只电池的电压范围为1~ 5V。

　　该芯片由所测电池直接供电， 供电电压范围为5. 5~ 30V。为了保证芯片在所测电池少于3 节时仍能正常工作， 电路中外接9V 的直流电源。在电池总电压小于9V 时， 采用外部供电。该芯片具有电池过电压， 欠电压保护功能， 电压阈值及检测延迟时间这些保护参数可通过程序写入。当某节电池的实际情况超过设定的安全阈值范围时， 芯片中电池故障寄存器相应字节置位， 从而通知充电机动作， 防止电池过充或过放。在芯片外围， 有MOS管与电阻构成的均衡电路， 芯片的CBx管脚可以控制MOS管的导通与关断， 如图3所示。通过软件设置， 当程序判断出某节电池需要均衡时， 该电池对应的CBx 管脚被置位， 这时与CBx 相连接的MOS管导通， 均衡电路启动。

　　图3 均衡电路

　　CS5460A 芯片能够精确检测和计算有功电能、瞬时功率、IRM S和VRM S, 本系统用两片CS5460 分别检测电流、安时和瓦时。其中一片CS5460 采用分压电阻检测电压， 分流器检测电流， 通过软件设置，它在每秒钟内对电压、电流信号采样4000次， 并计算出瞬时功率。通过4000次功率的累计， 芯片可自行计算出这一秒钟内的能量值， 即?? 瓦时 。另外一片CS5460将通过电压测量通道测量恒压源信号，电流测量通道测量分流器信号， 这样测得的数值为电流与时间的积分， 即电池电量的计量单位?? 安时 , 可用于SOC 的计算。

　　4 系统软件设计

　　数据采集系统软件分为主程序、电流检测及安时检测、瓦时检测、电压检测、温度检测以及RS232程序。系统上电后， 主程序开始运行。首先进行系统初始化， 之后进入主循环， 然后循环调用其他子程序模块， 完成各个参数的采集、通讯等功能。

　　上位机监控软件在VC + + 6. 0 编程环境下完成， 整个应用程序采用模块化和结构化模式： 各个程序模块分别设计， 然后用最小的接口组合起来， 控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块。该监控系统包括：

　　数据显示： 实时显示电池数据采集系统所检测到的电池总电压、单体电压、电流、充放电总容量、充放电总能量、温度等信息， 将接收到的数据按时间先后顺序存储到access形式的数据库中。读取已存储的access库， 以列表的形式在界面上显示数据。

　　参数设置及校准： 在数据采集系统上电后， 通过RS232接口和PC 之间的通讯， 根据事先设定的通信协议， 对电池的信息进行修改， 或对芯片进行软件校准等。

　　数据处理： 分析收到的电压、温度数据， 计算出最高、最低电压/温度， 及其位置信息， 并实时显示。

　　另外数据采集系统已实现电池容量变化的实时计算， 但实际应用场合， 通过电流积分来进行SOC 估算存在累计误差， 所以需要定期修正。在上位机程序中， 有预留的模块添加用于SOC 修正的代码。在进行SOC 估算的实验时， 可根据实时收到的电池相关参数， 结合程序事先设置好的修正方法， 实现SOC在线估算。

　　充放电设备控制： 在上位机程序中有预留的模块用于添加充放电设备的控制程序， 使电池的电压、温度、充放电容量、充放电能量等相关参数都能参与电池的充放电控制和管理。在电池充放电过程中，上位机分析收到的电池状态和信息， 同时判断电池组中所有电池是否发生过充电、过放电或过温， 由于充放电设备与上位机之间存在CAN 通信， 会及时按照上位机的程序指令动作。这种控制模式可以方便的用于电池组充放电策略的研究， 上位机按照预先设定好的控制策略计算出充放电设备的电压、电流控制值， 并发送给充放电设备使其动作。同时这种控制模式也可以模拟电动汽车的实际运行情况， 提高了充放电设备的智能化水平， 简化了充电工作人员设置充电参数等繁琐的工作， 使得充电机具有了更好的适应性， 充电机只需要得到上位机提供的指令就能实现安全充电。

　　5 系统测试

　　为了测试该系统， 使用3. 7V /80Ah的锰酸锂电池做恒流恒压充电试验。在上位机程序中设置如下参数： 恒流阶段充电电流80A, 充电截止电压4. 2V,恒压阶段截止电流0. 1A, 得到的充电曲线如图4所示。

　　图4 恒流恒压充电曲线

　　从图中可以看到， 在恒流充电时， 电流值保持恒定， 电压稳步上升， 达到截止电压后， 电池开始恒压充电， 电压值基本稳定， 电流值逐渐下降至截止电流， 达到了控制目的。在整个测试过程中， 充电机能够及时准确的按照上位机的编程指令动作， 系统工作稳定， 实时性好， 采样精度高， 其中电压测量相对误差最大值为0. 5%, 电流测量平均误差为0. 41%,温度测量误差为0. 5%, 安时、瓦时计量误差均在0. 5% 以内， 符合设计要求。

　　6 结论

　　该测试平台能够准确反应电池状态的变化， 为最大限度的发挥电池性能， 提高电池使用效率， 实现电池容量和能量的高效利用提供数据支持， 达到了设计要求。上位机监控程序模块化， 结构化的优点，保证了系统良好的功能扩展性， 为动力电池的性能测试、算法验证、充电方法研究提供了可靠的平台，为电动汽车的推广使用奠定了基础。