動力電池模塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

韓冠南 王建鋒 王鵬飛 馬嬌

摘 要：電動汽車的動力電池模塊由許多單體電池串聯(lián)或并聯(lián)而成的，研究電池性能的一個重要前提是動力電池模塊的數(shù)據(jù)采集。為了更好的進(jìn)行SOC估算、保證動力電池正常的工作運(yùn)行，從BMS的需要出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種電動汽車動力電池的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對磷酸鐵鋰電池組的單體電壓、總電壓、電流和溫度高速實(shí)時的采集，實(shí)現(xiàn)均衡，并將監(jiān)測得到的信息通過CAN總線傳輸給整車控制器。結(jié)果表明該方案可實(shí)行，且具有較高的精度。

關(guān)鍵詞：動力電池模塊；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；CAN通訊

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2018.32.108

1 引言

能源枯竭、環(huán)境污染等問題的出現(xiàn)使得無污染、易于操縱、噪市低的電動汽車越來越受到人們的關(guān)注與重視。但因動力電池充電麻煩、保養(yǎng)成本高和續(xù)航里程短等問題，使動力電池發(fā)展到如今仍沒有一款達(dá)到生物燃料電池的水平。電動汽車動力電池技術(shù)的落后是電動汽車都未能普及的主要原因之一，尤其是電池管理系統(tǒng)技術(shù)。電池管理系統(tǒng)的功能包括電池物理參數(shù)實(shí)時監(jiān)測； 電池狀態(tài)估計(jì)； 在線診斷與預(yù)警；充、放電與預(yù)充控制； 均衡管理和熱管理等。其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能否實(shí)時、精確的采集信號是整個BMS的基礎(chǔ)，故極為重要。同時也取得了相應(yīng)的成果。PEVE公司的MH/Ni動力電池許多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，組數(shù)據(jù)采集是溫度采集是利用熱敏電阻，電壓采集通過控制開關(guān)逐個選取不同電池組來進(jìn)行，電流采集則是通過霍爾傳感器進(jìn)行采集，此系統(tǒng)雖可以擴(kuò)展電池的數(shù)量，卻無法保證數(shù)據(jù)采集的速度、實(shí)時性和精度； 楊潤宇選擇電阻分壓的方法進(jìn)行電壓采集，在溫度采集方面則是采用了Pt100溫度傳感器，選用600A-75mV 型號的分流器進(jìn)行電流采集，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)單體數(shù)據(jù)采集單元內(nèi)部同步性好，動態(tài)響應(yīng)快，精度高，缺點(diǎn)是采用電阻分壓時電池的信號線等線束都要匯集到主控制器，因連線較多，故可能出現(xiàn)連線之間的短路及絕緣問題，使布線較為困難?；趯σ陨涎芯康姆治觯?節(jié)串聯(lián)的磷酸鐵鋰電池為研究對象，考慮成本，實(shí)時性以及精確度，提出一種新得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。最后通過Lab VIEW 上位機(jī)軟件制作通信界面，并顯示測量結(jié)果。

2 總體設(shè)計(jì)方案

汽車上動力電池常在強(qiáng)電磁和高脈沖電流的環(huán)境下工作，因此對動力電池的要求較高。根據(jù)動力電池?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)的功能，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)包括：電壓檢測模塊、均衡模塊、電流檢測模塊、CAN、通訊等。整體設(shè)計(jì)方案如圖1。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 電源電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的電源是把汽車發(fā)電機(jī)的電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)運(yùn)行所需的電壓，也就是說將12V電源轉(zhuǎn)換為5V電壓，使用78/79系列三端穩(wěn)壓IC的優(yōu)點(diǎn)是其電路內(nèi)部還有過熱、過流和調(diào)整管的保護(hù)電路，所需的外圍元件較少，使用起來方便可靠，而且價格便宜，應(yīng)用范圍廣。本次設(shè)計(jì)中穩(wěn)壓電路中使用的是三端固定輸出集成穩(wěn)壓器7805，輸入電壓為+5V。

3.2 電壓檢測和均衡模塊

電池電壓的測量也有很重要的作用，不僅可以用來分析電池所處的階段，而且還有利于判斷電池組的均衡性能。本次設(shè)計(jì)的對象是八個磷酸鐵鋰單體電池串聯(lián)而成的電池組，單體電壓3.2V，電池組的總電壓25.6V。

電阻分壓為共模測量，通過電阻分壓將串聯(lián)電池組的單體電壓轉(zhuǎn)換成共地電壓信號；霍爾電壓傳感器是基于霍爾效應(yīng)原理制成的，霍爾效應(yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動的載流子受磁場洛倫茲力作用的結(jié)果，具有精度高、工作頻帶寬、動態(tài)性能好、測量范圍大等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)選用LTC6802電壓監(jiān)測芯片進(jìn)行單體電壓采集。

本次設(shè)計(jì)采用能耗式放電均衡方法，在LTC6802每節(jié)電池的均衡控制腳并聯(lián)一個MOS管Q及一個放電電阻Rn2，通過控制MOS管的通斷從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)電池電量過高時對其進(jìn)行放電均衡，考慮到散熱問題，電阻選100Ω。同時加入發(fā)光二極管D用于指示均衡是否開啟，當(dāng)MOSFET開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時，其源極與柵極兩端所承受的電壓為電池電壓，因此，并聯(lián)一個穩(wěn)壓管Z作為保護(hù)。

3.3 控制芯片和CAN 通訊模塊設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用的是STC公司生產(chǎn)的STC89C52 單片機(jī)， SJA1000雖然有系統(tǒng)完備的CAN總線協(xié)議，但它驅(qū)動力偏弱，其正常工作無法保證，故需要使用TJA1050總線驅(qū)動器，TJA1050總線驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)高速通訊。圖2 為控制芯片和CAN通訊電路圖。

3.4 總電壓檢測模塊

總電壓是電池性能的直觀表現(xiàn)，但不能有單體電壓直接疊加而得出，測量總電壓的方法有電壓傳感器和電阻分壓法，因分壓法測量精度無法保證，所以本系統(tǒng)采用公司AV100-150電壓傳感器，該電壓傳感器滿足BMS的性能要求?？傠妷翰杉瘓D如圖3。

3.5 電流檢測模塊

電流采集方法有分流器、霍爾傳感器和AD采集法。分流器是一個精確電阻，可以通過大電流值，當(dāng)分流器中有電流流過時，其兩端的電壓值是可以用電壓表測出的，電壓測出后，再利用歐姆定律即可求得電流； 霍爾電流傳感器利用的原理是霍爾閉環(huán)，可以將被測電流轉(zhuǎn)換成按比例跟隨輸出的電流或電壓。本設(shè)計(jì)中LEM公司生產(chǎn)的霍爾傳感器LTS6-NP實(shí)現(xiàn)電池組充放電電流的精確測量，符合本次設(shè)計(jì)的要求。

3.6 溫度檢測模塊

電池的工作溫度與電池工作的安全直接相關(guān)，更是進(jìn)行SOC估算的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。為了達(dá)到所需要精度水平，需要進(jìn)行手動校準(zhǔn)和使用精密電阻，或通過數(shù)字方式實(shí)施線性化和校準(zhǔn)。

通過綜合的比較，數(shù)字式溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，并不需外接電源，所以選擇數(shù)字式溫度傳感器。美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器的優(yōu)勢是體積小，抗干擾能力強(qiáng)，測量精度高，硬件成本低。測量的溫度范圍為-55℃～125℃； 測量分辨率為0.0625℃； 無需標(biāo)定等。動力電池組每個單體中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時的溫度為我們需要測量的電池的溫度，但因單體都被密封組成電池組，內(nèi)部的溫度無法測量，因此，選擇電池表面溫度的最高點(diǎn)放置溫度傳感器，作為溫度的采集點(diǎn)。通過多次充放電實(shí)驗(yàn)，可知電池表面中間點(diǎn)溫度最高，故將傳感器放置于此。

4 數(shù)據(jù)采集電路軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的程序流程圖主要包括主程序、初始化和定時中斷程序。其中主程序包括上位機(jī)下發(fā)指令接收、溫度采集部分、單體電壓采集和均衡部分、電流采集部分和總電壓采集部分等。根據(jù)以上分析進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。

4.1 溫度檢測模塊

根據(jù)DS18B20的通信協(xié)議，主機(jī)每次訪問DS18B20都必須遵循以下順序： 初始化、ROM操作命令、存儲器操作命令、執(zhí)行/數(shù)據(jù)。

進(jìn)入溫度采集子程序后，依次完成各通道的轉(zhuǎn)換并存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果，通過數(shù)字濾波算法得到一個可靠的AD值數(shù)據(jù)，然后對這個數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性校正和增益偏移。當(dāng)一次循環(huán)采集后，再次返回到主程序中。溫度采集流程為圖4。

4.2 電壓檢測模塊

電壓采集流程為圖5，首先對整個系統(tǒng)LTC6802進(jìn)行初始化，初始化完成后，發(fā)送進(jìn)行電壓讀取的命令，電壓值讀取到后存入數(shù)組中。CPU對讀取到的電壓值進(jìn)行計(jì)算，算出最大和最小值，根據(jù)最值判斷電池是否過充或過放，若有過充或過放，則采取均衡方法處理。

4.3 CAN通訊模塊

對CAN控制器SJA1000進(jìn)行必要的初始化，流程為圖6，發(fā)送及接受報(bào)文。要進(jìn)行SJA1000的初始化，首先要滿足在復(fù)位條件下，初始化包括設(shè)置波特率參數(shù)，設(shè)置接受代碼寄存器，設(shè)置接受濾波方式，設(shè)置接受屏蔽寄存器及終端允許寄存器。

5 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試就是隨整個系統(tǒng)進(jìn)行可行性調(diào)試。最后通過Lab VIEW上位機(jī)軟件制作通信界面，并顯示測試結(jié)果。通過多次試驗(yàn)可得出結(jié)論：電壓采集精度為±5mV，溫度采集精度為±1℃，電流采集精度為±5mA。可知該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足最初的設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

動力電池?cái)?shù)據(jù)此采集系統(tǒng)完成了對電池電壓、溫度和電流的采集，完成了均衡，并把采集到的信息通過CAN總線傳輸給整車控制器，完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)并得出以下結(jié)論：

（1）通過串聯(lián)電池的方法采集單體電壓和總電壓，簡單精確，利用霍爾傳感器和溫度傳感器進(jìn)行電流和溫度的采集，實(shí)現(xiàn)了對信息稿精度的采集。

（2）在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中使用了LTC6802，可實(shí)現(xiàn)均衡，使得監(jiān)測系統(tǒng)更為安全可靠，同時也加入了軟件和硬件濾波的措施，從而使得系統(tǒng)信號采集更為穩(wěn)定、準(zhǔn)確和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，總電壓并未使用單體電壓的直接疊加，使總電壓這個數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。

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