一種動力蓄電池狀態實時監測系統的設計

殷嬌 詹宜巨 羅宇強

（1.中山大學工學院 2.廣州市光機電技術研究院）

0 引言

隨著電動汽車的快速發展，電動汽車動力蓄電池的研究也日益受到關注。動力蓄電池狀態監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監測[1]。然而，電池狀態數據的采集和處理總是存在一定的滯后，狀態監測的實時性也是一個相對的概念[2]。本文對電池狀態信息的采集、傳遞和處理環節的“實時性”進行了深入探討，充分考慮電池狀態監測過程中遇到的實際問題，提出一種動力蓄電池狀態實時監測系統。該系統能夠實時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 電池狀態監測實時性探究

1.1 時延的不可避免性

在動力蓄電池狀態監測過程中，以下幾個環節的時延只能降低，不能消除：電池監測回路（battery monitoring circuit，BMC）的信息采集環節、信息傳遞環節以及監控系統控制單元的信息處理環節。

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

信息傳遞環節的時延取決于數據傳輸的波特率以及信息的長度。

控制單元是監測系統的最高決策芯片，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，這些任務之間的協調、調度也不可避免地會造成時延。

因此，電池狀態監測系統是一個相對實時的系統。

1.2 時延的負面影響

動力蓄電池的狀態監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。在充電周期的前期和后期電池電壓變化很快，電池狀態監測時延會造成電流調控的時機不準，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實時監測系統時，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、經濟性等方面綜合考慮，分析狀態信號的變化特征。根據不同用途，確定采樣頻率、儀表顯示和數據存儲等頻率。

2 電池狀態監測

2.1 電池電壓監測

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據的用途。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測系統采用MC9S12DG128單片機作為MCU，該MCU自帶16路10位的A/D轉換器，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轉換器引腳上，測量精度為5 mV[6]。

2.2 電池電流監測

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的定時中斷頻率。

電池特性研究中對電流監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]。因此本系統采用1 s的定時中斷來執行一次信息的采集、顯示和存儲操作。系統所指的實時性是指延時在1 s以內。

常用的電流監測方法有串聯電阻法、霍爾傳感器法，雖然串聯電阻法成本低，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 電池溫度監測

電池的溫度關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 系統設計

3.1 系統整體設計框圖

該動力蓄電池狀態實時監測系統由摩托羅拉公司的MC9S12DG128單片機和五個功能子系統構成。系統整體設計框圖如圖2所示。

圖2 動力蓄電池狀態實時監測系統框圖

系統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據儲存到Flash芯片中；通過導出鍵控制是否將Flash芯片中的數據導出到PC中。

3.2 實時時鐘模塊

系統的實時時間由美國 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 數據的顯示、儲存與導出

3.3.1 狀態信息的顯示

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。MCU通過通用I/O口控制LCD。

3.3.2 狀態信息的存儲

3.3.2.1 Flash芯片容量計算

系統需要 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芯片儲存數據的方式為AAI-Word-Program（auto address increment programming），每次向Flash芯片中寫入一個Word長度的數據，為了方便實現數據的存儲，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模塊轉化后的數字信息，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

系統設計了存儲鍵控制是否啟用Flash芯片記錄數據的功能。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。系統的數據1 s更新并記錄一次。所以，系統所需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作為數據存儲芯片。

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 狀態信息的導出

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

3.4 系統軟件設計流程圖

系統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、電池狀態信息獲取和顯示、Flash寫入1條數據、Flash導出1條數據這幾個模塊。主程序執行過程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

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

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 結語

本文設計了一種動力蓄電池狀態實時監測系統，可以實時顯示并記錄動力蓄電池的電壓、電流和溫度狀態，并且提供了可選的數據導出功能，可將 Flash芯片中記錄的動力蓄電池狀態信息導出到 PC。該系統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。

[1] 譚曉軍.電動汽車動力電池管理系統設計[M].廣州:中山大學出版社,2011.

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[4] Odd Jostein Svendsli.電池管理應用中精確測量和溫度穩定的重要性[J].今日電子,2010(1):28-31.

[5] Li Yuheng, Wei Xuezhe, Sun Zechang. Low Power Strategy Design for Battery Management System[C]. International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, Changsha, Hunan, China,2009.

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[7] Zhang Baofeng, Wang Ya, Zhu Junchao. Design of High Speed Data Acquisition System Based on FPGA and DSP[C]. International Conference on Artificial Intelligence and Education,Hangzhou, China, 2010.

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