FPGA的動力電池檢測系統研究

張洪濤，周 航，彭瀟麗，吳 芬

（湖北工業大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢430068）

動力電池作為電動汽車的動力源，要求具有高使用效率和高使用壽命，因此，電池檢測系統的好壞是動力電池能否得到廣泛應用的關鍵.電池檢測系統的功能是能夠檢測電池的單體和整組的荷電狀態，在保障電池安全和使用壽命的前提下，充分發揮電池的性能.并且能夠防止電池出現過充電、過放電以及過熱等問題［1］.

目前的電池檢測系統有的使用專用電池管理芯片，但專用芯片功能簡單、運算能力差，不能滿足系統需要.本文針對一個三路的動力電池組，設計了一個基于FPGA的動力電池檢測系統.該系統靈活性強，運行穩定，數據可以實時準確顯示.

1 系統總體結構

本系統大致分為四個部分：電池各項數據的采集、數據處理、數據顯示、溫度保護.電池各項數據的采集包括電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路.通過這三個電路采集電池特性，將數據傳輸到處理器，通過處理器將數據進行處理并顯示.設置報警溫度與采集溫度進行對比，如果溫度超出報警溫度，則啟動溫度保護模塊.系統框圖見圖1.

2 系統硬件設計

2.1 系統硬件平臺

本系統硬件電路設計的開發平臺是基于Altera公司的DE2開發板，開發板的主控芯片是CycloneⅡ系列EP2C35F672C6.該開發平臺的硬件功能較為強大：有各種常用的存儲器，包括8 M 字節SDRA M、512 K字節SRA M、4 M 字節閃存、可擴展SD卡；有各種常用的I／O接口，包括一個三線的RS232串行接口和PS／2接口、VGA接口、以太網接口、一個USB2.0接口、視頻輸入接口、音頻輸入輸出接口及2個GPIO口；有多種顯示控制元器件，包括7個數碼管，一個1602液晶顯示屏，18個紅色的發光二極管，9個綠色的發光二極管，4個按鍵，18個波段開關及兩個晶振時鐘（27 MHz和50 MHz）［2］.在已有的兩個晶振時鐘不能滿足系統需求的情況下，還可以從外部接入所需要的晶振時鐘.因此DE2可以勝任該系統的開發任務.

圖1 系統結構圖

2.2 時鐘分頻電路的設計

該模塊使用系統自帶的50 MHz的時鐘主頻率，采用Verilog HDL對其進行分頻.得到5 MHz（cl k＿5 M）、500 k Hz（cl k＿500 K）和1 MHz（cl k＿1 M）的時鐘頻率分別供給電流檢測模塊、電壓檢測模塊、溫度檢測模塊.時鐘分頻電路的Veril og HDL硬件描述語言如下所示.

2.3 電壓檢測電路的設計

該模塊針對三路電池組的電壓進行檢測，通過對開關的控制，可以對電池組的單節電池電壓進行檢測，也可以對電池組的總體電壓進行檢測.由于三路電池組的電壓高于10 V，而該模塊所采用的AD轉換芯片是ADC0809.其工作電壓為5 V，參考電壓也為5 V，所以采用電阻分壓法，在電池組兩端串聯三個阻值相同的電阻.而ADC0809只對其中一個電阻兩端的電壓進行檢測.因此，測得的電壓為實際電壓的1／3，電路圖見圖2.

圖2 電壓檢測電路

該電路的開關采用可控制的光電藕合器件TLP521－1.本電路采用6個 TLP521－1，由處理器控制（圖2），S0和S1導通則所測的是電池V1的電壓，S2和S4導通則測的電池V2的電壓，S3和S5導通則測的電池V3的電壓，S0和S3導通則測的是電池組的總體電壓.

2.4 電流檢測電路的設計

對于電流的數據采集是否準確直接影響著電池管理系統整體性能是否良好，由于電池組在實際充放電過程中電流的變化有很大的不確定性，因此電流的采集需要單獨進行，并具有盡可能高的采樣頻率.電流檢測電路見圖3.

圖3 電流檢測電路

在電池組與負載之間加上一個50 mΩ的測流電阻R4來檢測負載電流，負載電流經過電流檢測放大器MAX4172的RS＋端到RS－端，在MAX4172的內部放大50倍后由OUT引腳輸出，再經過對地電阻R5

［3］.AD轉換芯片TLC2543采集電阻R5兩端的電壓.測得

其中：Gm為MAX4172的跨導，其值為10 mA／V.為了滿足采集電流的采樣頻率，本文選用TLC2543作為AD轉換芯片.該芯片是一款12位分辨率的AD轉換器，在溫度范圍內轉換時間為10μs，既可滿足采樣頻率，又可滿足精度要求［4］.

2.5 溫度檢測電路的設計

溫度采集電路在硬件電路設計上比較簡單（圖4），主要采用數字溫度傳感器DS18B20來實現溫度信號向電信號的轉換，只需將其三個管腳按圖4所示連接，并且多片DS18B20可以直接并聯在這三根線上，主要通過程序實現溫度的轉換和讀取.

圖4 溫度檢測電路

2.6 電池溫度保護模塊

電池組的工作溫度范圍在－20～60℃之間，影響電池組安全性的主要原因是熱失控.為了保證電池組的性能良好，溫度保護模塊非常重要.上節提到的溫度檢測電路可以實時采集電池組的工作溫度，本文用程序設定一個報警溫度，當所采集的溫度達到報警溫度時，電池組與負載之間斷開，使電池停止工作.并且在電池組處安裝一個小風扇，當溫度達到報警溫度時，處理器控制風扇轉動，加快電池散熱.

3 系統軟件設計

FPGA的軟件設計是在Nios II IDE集成開發環境下進行的，Nios II IDE是Nios系列軟核處理器中使用最普遍的開發工具，可以在該開發環境中完成所有的軟件開發任務，比如對程序進行編輯、編譯、下載、調試等等.NiosⅡ系列32位RISC嵌入式處理器具有超過200DMIP的性能，靈活性高，可以在多種系統設置組合中進行選擇，而且成本低，開發周期短，適應性強.一臺電腦、一塊開發板和一條JTAG下載線就可以實現對系統的軟件開發和調試［5］.

本系統的軟件流程如圖5所示，分為電壓檢測控制、電流檢測控制、溫度檢測控制、溫度保護控制4個部分.其中電流檢測、電壓檢測、溫度檢測同時進行，可根據采集的溫度數據和報警溫度進行比較，控制電池組的斷開和風扇的開啟.

圖5 系統軟件流程圖

4 仿真分析與實驗結果

本 文 在 軟 件 Quartus II中 對 ADC0809，TLC2543進行了時序仿真.圖6是ADC0809的時序仿真圖形.由圖6所示，clk＿500k是ADC0809的時鐘脈沖，d是經過ADC0809轉換后輸入給處理器的數字量，q是處理器經過處理后顯示的數字量，第一個周期由于輸出使能端oe在eoc為高電平的時候沒有置高，所以數據不能傳輸到處理器.第二和第三個周期可以看到數據正常的傳輸到處理器并顯示.

圖7是TLC2543的時序仿真圖形，iccl k是TLC2543所需的時鐘脈沖，icout是處理器的控制字輸入端，icin是經過TLC2543轉換后的數字量，data是處理器處理后顯示的數字量.因為TLC2543是在處理器輸入控制字的同時，將上一次轉換的數據傳輸到處理器，所以第一個周期的數據為0，第二個周期的數據則是第一個周期是icin的輸入數據.

表1是系統所采集的電壓與實際電池組的電壓的對比，可以看出該系統在時序和數據顯示的準確度上都可以滿足設計要求.

表1 電池組測試數據

5 結束語

本設計旨在建立一個基于FPGA控制的小型電池檢測系統，以Altera公司的Cyclone II系列的FPGA芯片EP2C35F672C6為主控芯片，實現了對電池組的電壓、電流、溫度三種數據的實時采集、處理、監控和顯示，并且防止電池組在工作時溫度過高.在軟件方面，系統以NiosⅡIDE作為軟件開發平臺，由于NiosⅡIDE可以提供工程模板形式的代碼實例，使得工作系統建立的速度快速提升.利用FPGA系統開發周期短、高效靈活、擴展容易的特點，可以不斷升級電池檢測系統，增加更多功能.

［1］劉曉康，詹瓊華，何葵，等.電動汽車用電池管理系統的研究［J］.華中科技大學學報，2007，35（8）：83－84.

［2］張志剛.FPGA與SOPC設計教程：DE2實踐［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2007：30－31.

［3］王 晨，李延軍，張玉興.基于 MAX4172的電流檢測電路設計與實現［A］∥2010通信理論與技術新發展——第十五屆全國青年通信學術會議論文集（下冊）［M］.北京：國防工業出版社，2011：238－240.

［4］杜開初.串行12位 A／D TLC2543及其應用［J］.世界電子元器件，2000（10）：37－38.

［5］ALTERA 公司［EB／OL］.（2010－06）［2010－07－15］http：／／www.altera.com／literature／lit－nio2.jsp.