一種動力蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計

殷嬌 詹宜巨 羅宇強

（1.中山大學工學院 2.廣州市光機電技術(shù)研究院）

0 引言

隨著電動汽車的快速發(fā)展，電動汽車動力蓄電池的研究也日益受到關(guān)注。動力蓄電池狀態(tài)監(jiān)測是對電池特性進行深入研究的前提和基礎。例如，電池的狀態(tài)分析、電池剩余電量估計、電池安全管理和電池信息管理等，都基于電池實時狀態(tài)監(jiān)測[1]。然而，電池狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和處理總是存在一定的滯后，狀態(tài)監(jiān)測的實時性也是一個相對的概念[2]。本文對電池狀態(tài)信息的采集、傳遞和處理環(huán)節(jié)的“實時性”進行了深入探討，充分考慮電池狀態(tài)監(jiān)測過程中遇到的實際問題，提出一種動力蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集并記錄電池的電壓、電流和溫度，可用于動力蓄電池的特性研究、故障診斷及事后分析。

1 電池狀態(tài)監(jiān)測實時性探究

1.1 時延的不可避免性

在動力蓄電池狀態(tài)監(jiān)測過程中，以下幾個環(huán)節(jié)的時延只能降低，不能消除：電池監(jiān)測回路（battery monitoring circuit，BMC）的信息采集環(huán)節(jié)、信息傳遞環(huán)節(jié)以及監(jiān)控系統(tǒng)控制單元的信息處理環(huán)節(jié)。

BMC是指與所要采集的電池參數(shù)最接近的芯片及其輔助電路，可以是單片機、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及某些專用芯片[3]。BMC信息采集環(huán)節(jié)時延的主要原因是模/數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的時間。通常，完成一個 8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換用時約為100 us[1,4]。

信息傳遞環(huán)節(jié)的時延取決于數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈室约靶畔⒌拈L度。

控制單元是監(jiān)測系統(tǒng)的最高決策芯片，控制著電池信息采集、LCD屏信息顯示、Flash芯片信息存儲、定時中斷等多項功能，這些任務之間的協(xié)調(diào)、調(diào)度也不可避免地會造成時延。

因此，電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)是一個相對實時的系統(tǒng)。

1.2 時延的負面影響

動力蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測對實時性的要求較高，因為時延會造成一定的負面影響。例如，在對電池進行快速充電時，是以電池端電壓作為減小或切斷充電電流的依據(jù)。在充電周期的前期和后期電池電壓變化很快，電池狀態(tài)監(jiān)測時延會造成電流調(diào)控的時機不準，輕則影響電池充電效果，重則損傷電池甚至可能造成安全事故。

另外，目前對于電池剩余電量（state of charge，SOC）的評估，采用的主流方法仍然是電荷累計法（CC法，又稱作電流積分法），即MCU將每個時刻采集到的電流，通過積分或求和的方式累積起來[5]。如果采樣不均勻，或者采樣頻率過低，都將嚴重影響SOC評估的準確性。

1.3 采取的措施

設計動力蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)時，應充分考慮不同物理量對于實時性的耐受度，從可行性、可靠性、經(jīng)濟性等方面綜合考慮，分析狀態(tài)信號的變化特征。根據(jù)不同用途，確定采樣頻率、儀表顯示和數(shù)據(jù)存儲等頻率。

2 電池狀態(tài)監(jiān)測

2.1 電池電壓監(jiān)測

電動汽車動力蓄電池多采用磷酸鐵鋰電池。磷酸鐵鋰電池電壓的工作范圍在2.2 V～3.6 V[1]，電壓精度的選擇取決于電壓數(shù)據(jù)的用途。如果用于過壓保護，精度要求相對較低；如果用于儀表顯示，精度要求也不高；對電壓采集精度要求最高的是開路電壓法（OCV）測SOC。

本文設計的動力蓄電池實時監(jiān)測系統(tǒng)采用MC9S12DG128單片機作為MCU，該MCU自帶16路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，而動力蓄電池的實際電壓在0 V～5 V之間，所以，可以直接將電池的正負極連接在MCU的A/D轉(zhuǎn)換器引腳上，測量精度為5 mV[6]。

2.2 電池電流監(jiān)測

電流是要測量的三個物理量中對測量頻率最敏感的物理量，因此本文用電流的檢測頻率、顯示刷新頻率以及存儲頻率作為系統(tǒng)的定時中斷頻率。

電池特性研究中對電流監(jiān)測頻率要求最高的就是用CC法測SOC，一般采用1 Hz的頻率[7]。因此本系統(tǒng)采用1 s的定時中斷來執(zhí)行一次信息的采集、顯示和存儲操作。系統(tǒng)所指的實時性是指延時在1 s以內(nèi)。

常用的電流監(jiān)測方法有串聯(lián)電阻法、霍爾傳感器法，雖然串聯(lián)電阻法成本低，但是電阻的熱損耗對于電池特性研究會造成負面影響，因此選用自帶功率放大器的霍爾傳感器采集電流[1,8]。

2.3 電池溫度監(jiān)測

電池的溫度關(guān)系到電池使用過程的安全性，但電池的安全性對溫度的敏感度不高，從系統(tǒng)功能和成本兩方面綜合考慮，選用熱電偶做溫度傳感器，接線圖如圖1所示。

圖1 熱電偶接線圖

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)整體設計框圖

該動力蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)由摩托羅拉公司的MC9S12DG128單片機和五個功能子系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)整體設計框圖如圖2所示。

圖2 動力蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)的主要功能是實時采集動力蓄電池的電壓、電流和溫度信息。通過LCD屏顯示實時時間、電池電壓、電流和溫度信息。通過存儲鍵控制是否將這些實時數(shù)據(jù)儲存到Flash芯片中；通過導出鍵控制是否將Flash芯片中的數(shù)據(jù)導出到PC中。

3.2 實時時鐘模塊

系統(tǒng)的實時時間由美國 DALLAS公司的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片 DS1302提供。用MC9S12DG128芯片通用 I/O口模擬時序，讀/寫DS1302時間信息，其接線如圖3所示。

圖3 DS1302接線圖

3.3 數(shù)據(jù)的顯示、儲存與導出

3.3.1 狀態(tài)信息的顯示

每隔1 s采集并顯示一次動力蓄電池的電壓、電流和溫度信息，同時顯示DS1302提供的實時時間，顯示功能通過LCD屏實現(xiàn)。MCU通過通用I/O口控制LCD。

3.3.2 狀態(tài)信息的存儲

3.3.2.1 Flash芯片容量計算

系統(tǒng)需要 Flash芯片記錄的信息有實時時間信息、電池電壓、電流和溫度信息。其中實時時間信息為DS1302提供的1 Byte的小時信息、1 Byte的分鐘信息和1 Byte的秒鐘信息。Flash芯片儲存數(shù)據(jù)的方式為AAI-Word-Program（auto address increment programming），每次向Flash芯片中寫入一個Word長度的數(shù)據(jù)，為了方便實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲，在1 Byte的小時信息前加入1 Byte的無用信息。所以，每條時間信息的長度是4 Bytes。存入Flash芯片中的電池電壓、電流和溫度信息是通過MC9S12DG128單片機的10位A/D模塊轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信息，每條電池電壓、電流和溫度信息的長度都為2 Bytes。

每條信息的長度=實時時間信息長度+電壓信息長度+電流信息長度+溫度信息長度=10 Bytes

系統(tǒng)設計了存儲鍵控制是否啟用Flash芯片記錄數(shù)據(jù)的功能。實際應用和實驗中，動力蓄電池一次完整的充放電過程不超過48小時。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)1 s更新并記錄一次。所以，系統(tǒng)所需Flash芯片的最小容量為：

10 Byte/s×48×3600 s=1728000 Bytes

因此，選用一塊 2 MBytes的 Flash芯片SST25VF016B作為數(shù)據(jù)存儲芯片。

3.3.2.2 Flash芯片硬件連接

MC9S12DG128單片機的通用I/O口PS4 ～ PS7與SPI0接口復用。Flash芯片通過這個SPI接口與主控芯片進行通信，其接線如圖4所示。

圖4 Flash芯片接線圖

3.3.3 狀態(tài)信息的導出

系統(tǒng)采用串行通信接口（serial communication interface，SCI）與PC機進行通訊，SCI屬于UART規(guī)范，波特率為115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗。MCU的SCI接口通過一個電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232CPE驅(qū)動之后，可以通過RS232數(shù)據(jù)線直接與PC通信。狀態(tài)信息經(jīng)過程序解碼之后，按設定好的格式導出到PC，PC采用串口調(diào)試軟件SSCOM接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)導出的格式為.txt文件，將文件后綴名改為.csv可得到Excel表格的電池狀態(tài)信息數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設計了導出鍵來啟動或停止數(shù)據(jù)導出。

3.4 系統(tǒng)軟件設計流程圖

系統(tǒng)采用模塊化的軟件設計方法，主程序從功能上分為初始化、開中斷、實時時間獲取和顯示、電池狀態(tài)信息獲取和顯示、Flash寫入1條數(shù)據(jù)、Flash導出1條數(shù)據(jù)這幾個模塊。主程序執(zhí)行過程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

需要說明的是，系統(tǒng)在執(zhí)行Flash數(shù)據(jù)導出時，實時時間獲取、電池信息獲取和顯示都將停止，直到Flash芯片中所有數(shù)據(jù)導出完畢或者用戶再次按下導出鍵結(jié)束數(shù)據(jù)導出過程。系統(tǒng)的Flash數(shù)據(jù)導出功能是在電池的狀態(tài)信息測試、記錄完成之后進行的，用于事后對測試的充放電周期內(nèi)的電池特性進行研究、故障診斷等。因此，數(shù)據(jù)導出階段對MCU的獨占，不影響該系統(tǒng)的正常使用。

主程序控制命令語句中的 Flag、Switch1和Switch2的值都是通過1 s的定時中斷程序控制的。圖6給出了1 s定時中斷程序流程。

圖6 1s定時中斷程序流程圖

4 結(jié)語

本文設計了一種動力蓄電池狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時顯示并記錄動力蓄電池的電壓、電流和溫度狀態(tài)，并且提供了可選的數(shù)據(jù)導出功能，可將 Flash芯片中記錄的動力蓄電池狀態(tài)信息導出到 PC。該系統(tǒng)可用于動力蓄電池的特性研究、故障診斷等，具有很強的實用價值。

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