基于無線通信和傳感器的動力電池在線監測系統設計

佘世剛,2，胡月娥，趙 宇，袁崢崢，朱明亮

(1.常州大學 機械工程學院，江蘇 常州 213164；2.常州大學 江蘇省自動控制實驗室，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著自然環境的惡化，傳統燃油汽車污染較大，新能源汽車應運而生，有“清潔能源”之稱的鋰電池作為新能源汽車動力電池的主要動力來源之一，因其污染小、能量密度大等優點而得到廣泛運用。動力電池一般由多個單節電池串聯形成電池組，但當前制造工藝、使用環境不能完全保證每節單體電池各項性能完全一致，由此導致電池組在充放電時會發生過充過放、局部過熱等現象，這些因素會影響電池性能，溫度過高導致電池內部產生極化現象，溫度過低，電池內部化學成分活性降低，均會致使電池組自身內阻增加，減小容電量，加快電池報廢速度，使電池使用壽命遠遠達不到理論額定值。理論上動力電池在正常工作環境下使用壽命可長達20年[1]，但使用環境不能滿足理論條件，因此電池工作狀態需要實時監測。據以上闡述的問題，本文設計一個安全可靠、實用性好、精度高、成本低的動力電池在線監測系統[3-4]，此系統基于無線傳輸技術、傳感器技術、數據處理技術和界面顯示進行設計，實現在線實時監測動力電池的溫度、電壓、電流等重要參數，極大程度上保障動力電池的使用安全以及存放安全。

1 系統整體結構方案設計

本文主要研究用于電動汽車的動力電池組，此類電池組電荷容量、質量以及體積都較大，不太方便試驗[5]，因此采用12節標稱電壓為3.7 V，容量為2.5 Ah的鋰電池串聯成電池組進行充放電試驗。系統設計時采用“分而治之”法，即將整體監測系統分為若干模塊進行設計，這樣監測系統結構較為緊湊。同時采用無線傳輸方式解決硬件布局和安裝空間受限的問題。該系統完成實時監測動力電池組溫度、電壓、電流等狀態參數任務的同時，基于監測到的數據信息進行在線故障診斷，警報系統設置溫度、電壓、電流、電荷量安全閾值，一旦出現故障，如電池溫度過高、電流超出設定的額定閾值能夠做出警報處理指令。該系統采用模塊化結構設計，基于無線傳輸網絡體系結構，在感知層將具有數據采集功能及控制功能的傳感器和單片機設置于前端數據采集模塊；在網絡層將負責數據傳輸的無線收發作為傳輸模塊；在應用層將涉及服務器端的通信軟件、管理軟件和數據庫置于顯示模塊，主要負責數據顯示、控制以及警報功能；此外采集和傳輸模塊外設供電的電源模塊。此系統框架如圖1所示。

圖1 系統組成框架圖

2 系統硬件設計

2.1 硬件總體設計

闡具體監測硬件結構如圖2所示，數據采集模塊根據采集不同參數選用相對應的傳感器芯片[6]，監測電壓信號選用串聯電池組管理芯片—LTC6802-2芯片，該傳感芯片能夠實現對串聯電池組的電壓檢測(單體電池和電池組整體可同時進行)，其自身攜有的過充、過放電保護電路適用于研究試驗中的串聯電池組模塊。監測電池組充放電時溫度選用單總線數字溫度傳感器—DS18B20，該傳感器測量精度高、溫度范圍大，當采用單總線控制多個傳感器時只需一個端口便可完成通信任務。監測電流選用JLK-8霍爾傳感器，該傳感器選用150A量程，線性度在0.5%,其工作溫度范圍在-20～80 ℃。控制單元采用STC12C5A62S2單片機，該單片機高行速度快且功耗低；其工作電壓在3.5～5 V，有44個通用I/O管腳，2個UART串口，62字節的FIASH程序存儲器，其內部集有MAX810專用復位電路，可將各傳感器采集到的數據輸入到單片機A/D轉換的輸入端，進行集中處理，之后通過傳輸模塊傳輸到顯示端。無線收發模塊采用CC1110無線射頻通信模塊，此通信模塊支持RS-232、CAN通訊接口，方便與顯示模塊連接。本文電源模塊采用12 V電源模擬車載環境中的電源電壓，但是監測芯片中大部分工作電壓為5 V，因此本文采用MC34063芯片進行電壓轉換，方便為其他模塊供電使用。

圖2 系統硬件結構圖

2.2 電壓采集及均衡電路設計

電壓采集電路設計如圖3所示，監測電壓芯片采用LTC6802-2，支持多片串聯使用同時可監測12節串聯單體電池[7]，且為每塊單體電池采集電路配備12位AD轉換器。LTC6802-2具有高電壓輸入多路轉換器和SPI串行接口，采集到的數據可通過其自身與SPI兼容的串行接口傳輸至STC12C5A62S2控制單元。電路中設置濾波和均衡電路[8]，電池均衡電路一般分為主動均衡和被動均衡，但主動均衡技術目前技術未能達到理想要求，因此本文均衡電路中采用被動均衡。設置均衡電路在每個電壓采集輸入引腳并聯一個穩壓二極管，其作用是防止輸入端電壓高出最大值而對電路和測壓芯片造成破壞。在每節電池電壓采集引腳上設置開關管Q，與柵極相連的Sn引腳控制開關管Q導通與關斷，放電電阻選用功率電阻與開關管Q漏級相連后并聯在電池兩端，配有發光二極管D作為指示燈。當MOSFET開關管處于導通狀態時，其源極與柵極兩端所承受的電壓為電池電壓，為防止電壓過高損壞電路并聯一個穩壓管作為保護；為減小高壓電頻產生的干擾在電路中加上RC低通濾波電路。因為電壓采集芯片與單片機之間通過SPI方式通訊，為保證數據能夠準確傳輸，在SPI總線接口處連接ADUM2401數字隔離器，減小電頻信號防止傳送過程的干擾。

圖3 電壓采集及均衡電路

2.3 溫度采集及電流采集電路設計

溫度參數是監測動力電池狀態重要參數之一，電池組充放電時，由于電池內阻導致電池產生熱量，引起電池溫度升高，若不設置散熱裝置致使溫度過高時，電池會出現脹包現象，嚴重時會發生爆炸，影響人身安全；當溫度過低時，電池內部成分活性降低致內阻增加，電池內阻過大直接導致電池組充放電效率降低。因此實時監測電池溫度很有必要，本文采用DS18B20溫度傳感器[6]，DS18B20溫度傳感器測量范圍在-55～125 ℃，測溫分辨率可達±0.5 ℃，滿足使用需求。由于其獨特的單線接口技術操作簡單方便，僅需一個接口便可與單片機進行雙向通信，簡化電路搭建，價格低，便捷試驗驗證。

現有測量動力電池組電流的主流技術有霍爾感應式和分流器式。兩種技術優劣點分明，采用分流器的能耗較霍爾式技術而言要高得多；且本身極易產生靜態放電現象，但由于其成本低，在一些精度要求度不高的場所會使用它。霍爾傳感器是基于“霍爾效應”制作的傳感器，其具有結構簡單、動態特性好以及使用壽命長等優點在電能參數、電場感應等測量中廣泛應用。本文電流采集選用JLK-8霍爾電流傳感器[4]，電流采集與信號調理如圖4所示：二極管由D1、D2串聯連接，組成限幅電路，起到保證電壓輸出作用。JIK-8傳感器連接一個電阻R1可將信號轉換成雙極性電壓信號，再經由雙運算放大器LM358中的前一個放大器將雙極性電壓信號放大；R2、R3、R5和電壓基準芯片LM336組成電平偏移放大電路，將雙極性電壓信號轉換成單極性電壓信號，經過下一個運算放大器LM358放大，而后傳入到單片機輸入端進行控制處理。

圖4 電流采集及信號調理電路電路圖

2.4 無線通信模塊電路設計

采用TI公司的CC1110無線射頻芯片作為無線傳輸模塊，CC1110無線射頻具有傳輸距離遠、運行速度快、靈敏度高、功耗低、連接簡單方便等優點。其與PC顯示端僅需USB接口便可完成連接。CC1110由CC1100RF收發機和高性能低功耗控制器8051控制核心組成，內部集成32 KB閃存、4 KBSRam、全速USB控制器、最多8路輸出的8～14位adc,帶有強大的dma和數據保密功能(AES安全處理器)。如圖5所示，本文設計無線模塊工作頻率設置471 MHz,通信波特率設置9 600 bps，兩個差分引腳RF-N、RF-P上放置LC電路，LC電路主要負責無線收發模塊與天線連接，同時起到濾波作用減小高頻電壓產生的干擾電頻；但信號中依舊存在負面干擾電平，因此信號傳出隨后經過176-96濾波、調制、放大等相關處理成數字信號，傳到RX-EN引腳，經過天線將信號進行收發工作。

圖5 無線通信模塊框

3 系統軟件設計

完整可靠的監測系統必須集硬件系統與軟件系統于一體，二者協調工作才能完成監測工作。本章節主要介紹系統軟件部分包括前端數據采集、控制模塊和人機交互顯示模塊軟件設計，控制模塊采用C語言對其進行編程，顯示模塊采用MATLAB進行設計[10-11]。

3.1 控制單元軟件設計和編程方法

系統上電后先進行自檢度電池狀態，設置電池組額定閾值，采集到的數據放入寄存器，同時進行閾值對比處理判定電池狀態，進而做出打開或斷開充放電支路步驟，若數值在設定閾值范圍內則發出正常信號指示，進入下一步驟—保護板狀態判定，是進入充電邏輯還是放電邏輯，當無邏輯運作時系統進入休眠狀態節約功耗；當系統判定數據不在閾值范圍內時發出警報信號，且警報指示燈亮，監測系統保護板會做出自鎖工作，保護電池組。系統主流程圖如圖6所示。

數據采集和控制模塊源碼設計這里只介紹部分功能和參數設置。主要包括對采集芯片進行初始化、設置電池電壓、電流、溫度數據采集，對數據進行處理，同時單片機設置過壓保護模塊[12]，當測值大于或小于設定電壓值時做出警報處理。

圖6 系統主流程圖

3.1.1 初始化設置

fuction: void BQ_1_config(void)

description:ltc6802-2初始化

Parameters: None

//0x04寄存器0x19對應SCD延時70 uS，放電短路電壓33 mV；

//0x05寄存器設置檢測電流為1-shot模式；

//0x06寄存器0x39對應OCD的延時時間80 ms，放電過流電壓33 mV；短路和過流對應電流都是60 A.

3.1.2 電壓、電流溫度數據采集

void Update_val(void)

{

printf(" ")；

printf("第一節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[0])；

delay_ms(50)；

printf("第二節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[1])；

delay_ms(50)；

printf("第三節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[2])；

delay_ms(50)；

printf("第四節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[3])；

delay_ms(50)；

printf("第五節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[4])；delay_ms(50)；

printf("第六節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[5])；

delay_ms(50)；

printf("第七節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[6])；

delay_ms(50)；

printf("第八節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[7])；

delay_ms(50)；

printf("第九節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[8])；

delay_ms(50)；

printf("第十節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[9])；

delay_ms(50)；

printf("第十一節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[10])；delay_ms(50)；

printf("第十二節電池電壓為:%dmV ", Batteryval[11])；

delay_ms(50)；

printf("電池總電壓為:%dmV ", Batteryval[12])；

delay_ms(50)；

printf("電池SOC為:%d%% ", Batteryval[13])；

delay_ms(50)；

printf("電池溫度為:%.2f ℃ ", Tempval_2)；

delay_ms(50)；

printf("當前電流為:%dmA ", Batteryval[14])；

}

3.1.3 警報模塊

fuction:void readbqstate(void)

description:讀取報警信號值

Parameters: UV_Alarm_flag?OV_Alarm_flag

SCD_Alarm_flag,OCD_Alarm_flag

Int

UV_Alarm_flag,OV_Alarm_flag,SCD_Alarm_flag,OCD_Alarm_flag；

void ALERT_1_Recognition(void)

{

Unsigned char sys_stat_1,sys_stat_2,UV_1,OV_1,UV_2,OV_2,SCD,OCD；

sys_stat_1 = IIC1_read_one_byte(SYS_STAT)；//獲取狀態

UV_1 = sys_stat_1&0x08； //取出UV位

OV_1 = sys_stat_1&0x04；

SCD = sys_stat_1&0x02；

OCD = sys_stat_1&0x01；

if((UV_1 == 0x08)||(UV_2 == 0x08))

{

UV_Alarm_flag = 1； //欠壓報警

printf("pack UV ")；

}

else

UV_Alarm_flag = 0; //沒有欠壓

if((OV_1 == 0x04)||(OV_2 == 0x04))

{

OV_Alarm_flag = 1;

printf("pack OV ");

}

3.2 顯示模塊軟件設計

顯示界面分為數據顯示模塊、數據處理模塊、系統管理模塊和警報模塊若干子模塊[13]。部分顯示界面如圖7所示，實時數據顯示模塊即顯示單體和整體電池的電壓、電流、溫度；數據處理模塊可根據需求對數據進行求平均值、最大小值等處理，讓用戶掌握電池實時狀態。系統管理模塊設置系統監測開關、設置單體電池數據增加、刪除、保存、查詢、備份等功能，警報模塊通過對比實時數據和設置的理論安全數據，監測實時數據是否在安全區間，不足或超出安全區間都及時發出警報。

圖7 顯示界面

4 實驗結果與分析

搭建上述電路硬件圖，經調試成功進行反復實驗測量電池組狀態，驗證監測系統可行性。本文選取電池組充滿電發出警報時數據，采用開路法測量[14]由監測系統和萬能表測量每節電池電壓做出對比，結果如表1所示，驗證系統測量精度高達0.2%。

表1 單體電池電壓測量值

5 結束語

隨著電動汽車使用量日益增加，其核心部件—動力電池的安全運作要求也隨之提高。針對此要求本文設計基于無線傳輸的動力電池在線監測系統，該系統利用3種傳感器作為數據采集端，上位機作為數據顯示端，單片機作為控制器端搭建動力電池在線監測系統。經試驗驗證該系統可準確監測動力電池工況，且誤差精度到達0.2%，相較于傳統監測系統極大提高了監測精度。本系統監測電路搭建方便，有效解決了傳統測試系統組裝復雜、操作困難等問

題，且設計過程中充分考慮實踐過程中可能遇到的問題，對此進行針對性設計，從根本上保證本監測系統的可實用性。