基于MC9S12DT128B的電池數據采集系統設計

摘要： 隨著電動汽車產業的發展， 電池需求數量急劇增長， 對電池測試設備的需求也在同步增長。提出了一種電池組測試平臺， 并著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， 實時檢測電池的相關信息， 并將數據發送至上位機， 為電池狀態估算提供依據。上位機監控系統用VC++ 編寫， 用于數據的讀取及存儲、參數設置、校準， 同時可以控制充放電設備按照編程指令輸出電流， 以滿足不同的實驗要求。經實驗驗證， 本系統對電池信息進行實時檢測具有較高的精度， 系統運行穩定、可靠。

　　1 前言

　　目前， 電池在實際使用中普遍存在的問題是電荷量不足， 一次充電行駛里程難以滿足實用要求。

　　另外， 用可測得的電池參數對電池荷電狀態( SOC,S tate- O f- Charge)作出準確、可靠的估計， 也一直是電動汽車和電池研究人員關注并投入大量精力的研究課題。因此有必要建立動力電池測試平臺， 利用該平臺對電池相關參數進行全面、精確的測量， 實現電池性能試驗， 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， 盡可能延長電池的使用壽命， 進一步降低電動汽車的整車成本。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行描述， 從能量狀態( SOE,Sta te- O f- Energy)的角度對電池的使用效率進行分析。系統硬件電路具有電池過電壓、欠電壓保護及均衡功能， 可對單體電池進行監視和保護， 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行精確測量， 并通過RS232總線將數據發送到上位機。由微型計算機構成的上位機監控系統， 實時顯示并記錄接收到的測試數據， 對數據進行分析， 監控測試系統工作狀態。另外可根據具體的實驗要求，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。充放電設備實現電池組的充放電， 完成電池和電網之間能量的雙向流動， 與監控PC 機通過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現各部分之間的實時通訊。

　　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， 主要包括以下幾個模塊： 微控制器、電源模塊、電流及安時檢測模塊、瓦時檢測模塊、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來實現溫度檢測， 它支持1- w ire總線協議， 可利用單片機的一個端口來讀取多個檢測點的數字化溫度信息， 擴展方便。

　　電壓檢測采用bq76PL536 芯片， 它同時檢測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， 采用外部供電。該芯片具有電池過電壓， 欠電壓保護功能， 電壓閾值及檢測延遲時間這些保護參數可通過程序寫入。當某節電池的實際情況超過設定的安全閾值范圍時， 芯片中電池故障寄存器相應字節置位， 從而通知充電機動作， 防止電池過充或過放。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管的導通與關斷， 如圖3所示。通過軟件設置， 當程序判斷出某節電池需要均衡時， 該電池對應的CBx 管腳被置位， 這時與CBx 相連接的MOS管導通， 均衡電路啟動。

　　圖3 均衡電路

　　CS5460A 芯片能夠精確檢測和計算有功電能、瞬時功率、IRM S和VRM S, 本系統用兩片CS5460 分別檢測電流、安時和瓦時。其中一片CS5460 采用分壓電阻檢測電壓， 分流器檢測電流， 通過軟件設置，它在每秒鐘內對電壓、電流信號采樣4000次， 并計算出瞬時功率。通過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 。另外一片CS5460將通過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間的積分， 即電池電量的計量單位?? 安時 , 可用于SOC 的計算。