基于MC9S12DT128B的電池數據采集系統設計

摘要： 隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 電池需求數量急劇增長(cháng)， 對電池測試設備的需求也在同步增長(cháng)。提出了一種電池組測試平臺， 并著(zhù)重介紹了數據采集系統與上位機監控系統的設計。以MC9S12DT128B微控制器為核心的電池數據采集系統， 實(shí)時(shí)檢測電池的相關(guān)信息， 并將數據發(fā)送至上位機， 為電池狀態(tài)估算提供依據。上位機監控系統用VC++ 編寫(xiě)， 用于數據的讀取及存儲、參數設置、校準， 同時(shí)可以控制充放電設備按照編程指令輸出電流， 以滿(mǎn)足不同的實(shí)驗要求。經(jīng)實(shí)驗驗證， 本系統對電池信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測具有較高的精度， 系統運行穩定、可靠。

　　1 前言

　　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(mǎn)足實(shí)用要求。

　　另外， 用可測得的電池參數對電池荷電狀態(tài)( SOC,S tate- O f- Charge)作出準確、可靠的估計， 也一直是電動(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)力電池測試平臺， 利用該平臺對電池相關(guān)參數進(jìn)行全面、精確的測量， 實(shí)現電池性能試驗， 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(cháng)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。與以往的電池測試系統相比， 該測試平臺可全面監測電池相關(guān)參數， 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(jìn)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(jìn)行分析。系統硬件電路具有電池過(guò)電壓、欠電壓保護及均衡功能， 可對單體電池進(jìn)行監視和保護， 減小電池間的不一致性。在充放電設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 測試平臺結構

　　測試平臺的結構如圖1所示， 以單片機為核心的電池數據采集系統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(jìn)行精確測量， 并通過(guò)RS232總線(xiàn)將數據發(fā)送到上位機。由微型計算機構成的上位機監控系統， 實(shí)時(shí)顯示并記錄接收到的測試數據， 對數據進(jìn)行分析， 監控測試系統工作狀態(tài)。另外可根據具體的實(shí)驗要求，控制充放電設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。充放電設備實(shí)現電池組的充放電， 完成電池和電網(wǎng)之間能量的雙向流動(dòng)， 與監控PC 機通過(guò)CAN 通信， 可接收監控PC機的編程控制指令。文中主要完成數據采集系統、上位機監控系統的設計并實(shí)現各部分之間的實(shí)時(shí)通訊。

　　圖1 平臺結構圖

　　3 系統硬件設計

　　數據采集系統硬件結構如圖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)檢測模塊、瓦時(shí)檢測模塊、電壓檢測模塊以及通信接口電路。

　　圖2 硬件結構圖

　　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，只需加入電平轉換電路即可實(shí)現與上位機之間的232通信。本設計使用數字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)現溫度檢測， 它支持1- w ire總線(xiàn)協(xié)議， 可利用單片機的一個(gè)端口來(lái)讀取多個(gè)檢測點(diǎn)的數字化溫度信息， 擴展方便。

　　電壓檢測采用bq76PL536 芯片， 它同時(shí)檢測3到6節電池， 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， 欠電壓保護功能， 電壓閾值及檢測延遲時(shí)間這些保護參數可通過(guò)程序寫(xiě)入。當某節電池的實(shí)際情況超過(guò)設定的安全閾值范圍時(shí)， 芯片中電池故障寄存器相應字節置位， 從而通知充電機動(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(guò)軟件設置， 當程序判斷出某節電池需要均衡時(shí)， 該電池對應的CBx 管腳被置位， 這時(shí)與CBx 相連接的MOS管導通， 均衡電路啟動(dòng)。

　　圖3 均衡電路

　　CS5460A 芯片能夠精確檢測和計算有功電能、瞬時(shí)功率、IRM S和VRM S, 本系統用兩片CS5460 分別檢測電流、安時(shí)和瓦時(shí)。其中一片CS5460 采用分壓電阻檢測電壓， 分流器檢測電流， 通過(guò)軟件設置，它在每秒鐘內對電壓、電流信號采樣4000次， 并計算出瞬時(shí)功率。通過(guò)4000次功率的累計， 芯片可自行計算出這一秒鐘內的能量值， 即?? 瓦時(shí) 。另外一片CS5460將通過(guò)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， 這樣測得的數值為電流與時(shí)間的積分， 即電池電量的計量單位?? 安時(shí) , 可用于SOC 的計算。