基于MSP430的鋰電池SOP在線監測設計

張秋艷，高平安，趙 鵬，王 麗，韋 鵬

（1.榆林學院 能源工程學院，榆林719000；2.榆林市氣象局，榆林719000）

隨著人們環保意識的不斷提高，世界各國對環保的要求也在不斷地增強，新能源汽車就非常符合人們現階段的需求[1]。為了減少污染氣體的排放，維護環境的整潔，鋰電池是新能源汽車動力源的不二之選[2]。鋰電池的功率承受能力SOP 估算是新能源汽車安全控制及能量回收的重要參數，準確快速的SOP 估算能夠為整輛汽車動力系統的功率分配和能量控制提供有效的支持和參考，不僅能夠保證車輛的運行性能，還能很大程度地減少車輛對能量的消耗[3-4]。故在此設計了基于MSP430 的鋰電池SOP 在線監測系統，該系統以MSP430 為主控制器，基于DS2438 芯片采集鋰電池電壓/電流信號，通過對采集到的電壓/電流信號分析及處理得出鋰電池SOP 估算值，并由LCD12864 在線顯示，同時由USB 通訊模塊將信號上傳到上位機進行遠程在線監測。

1 系統整體方案設計

鋰電池SOP 在線監測系統結構如圖1 所示，主要包括：

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure block diagram

1）控制器 選用美國德州儀器公司的具有超低功耗的16 位單片機MSP430F1101 為主控制器。其內置有A/D 轉換器，可以更方便地對電壓、電流等信號進行A/D 轉換，無需外加其它器件就可以實現模擬信號和數字信號之間的轉換[5]，且與8 位的51單片機相比，不僅省去專用AD 轉換芯片，降低系統功耗，節省設計空間，而且信號處理精度更高[6]。

2）電壓/電流采集模塊 選用Maxim 公司的電池監測芯片DS2438 來采集鋰電池的電壓、電流，采用髙速暫存器的電壓/電流信號讀取，可以確保在用一線通訊時數據能夠保持一致性[7-8]，且芯片小巧，可進一步縮小系統空間。

3）SOP 估算模塊 將采集到的電壓/電流信號傳輸到主控制器，主控制器根據峰值電流，對應電壓計算出峰值功率，從而確定鋰電池SOP 估計值。

4）LCD/上位機顯示 系統將采集到電壓/電流信號傳輸到LCD12864 實時顯示，并通過CH340G接口芯片將電壓/電流及SOP 估算值通訊到串口助手進行上位機實時監測。

2 硬件部分設計

2.1 電壓/電流采集電路設計

設計選用DS2438 來測量鋰電池的電壓和電流，其硬件電路原理如圖2 所示。

圖中，DS2438 芯片的VCC 引腳接入3.3 V 的電壓，VS+引腳接待測鋰電池的負極，VS-接待測鋰電池的正極，VAD 接入鋰電池的監測電路中，DQ 引腳接MSP430F1101 單片機的P2.4 引腳。

圖2 電壓/電流采集電路Fig.2 Voltage/current acquisition circuit

電路中的R3主要起限流保護作用；R4和R5為分壓電阻，按1∶3 的比例分擔電路的電壓；R6為保護電阻，用以保護電路；C9和C10為濾波電容，用于去除噪聲對電路的干擾。DS2438 的VCC 引腳負責供電，VS+和VS-引腳負責采集鋰電池的電流，電流從VS+引腳流入、從VS-引腳流出，VAD 引腳負責測量待測鋰電池的電壓，DQ 引腳負責將監測到的電壓傳送到MSP430F1101 單片機上，然后再將監測到的電流傳送到MSP430F1101 單片機上。

2.2 顯示電路設計

監測到的數據和估算出的SOP 值需要通過顯示屏顯示出來。設計中以常用的LCD12864 顯示屏串行方式顯示電壓/電流、SOP 值等。其中，LCD12864顯示屏的GND 引腳接地，LCD12864 的VCC 引腳接入3.3 V 電源并由一個滑動變阻器與VO 端口相連，通過改變滑動變阻器阻值，以調節屏幕的亮度。

為了實現上位機與MSPF1101 單片機之間的數據傳輸，選用CH340G 作為USB 的接口芯片來完成模塊的設計。

3 軟件系統設計

3.1 系統主程序

主程序是軟件的中心控制和總調度模塊，是軟件設計的主要模塊。系統主程序流程如圖3 所示。

圖3 系統總體流程Fig.3 System overall flow chart

先上電，系統初始化，再由電池監測芯片DS2438完成鋰電池電壓/電流信號的采集，MSP430F1101 單片機與DS2438 芯片之間的信號傳輸必須嚴格地按照芯片的讀寫時序要求進行程序的編寫，采集鋰電池的電壓和電流時，需要發送電壓和電流轉換命令，然后等待采集完成，并將測量值自動存儲到相應的寄存器中。電流流入和流出收集以36.41 次/s的速度自動完成，然后讀取寄存器數據。該程序模塊每隔10 s 對鋰電池的電壓、 電流進行一次監測，并將監測到的電壓、電流存儲到電壓存儲器和電流存儲器中，當寫入讀取電壓指令時讀取電壓存儲器（BEHXXH）信息，當寫入讀取電流指令時讀取電流存儲器（AEHXXH）信息。再次，將讀入的電壓/電流信號通過SOP 估算程序，進行SOP 的在線估算。最后，將電壓/電流及SOP 估算值通過顯示子程序進行在線顯示，同時通過串口助手進行上位機的遠程監測。

3.2 SOP 估算程序設計

鋰電池的SOP 估算，即功率狀態估算，在此采用峰值功率法對電池SOP 進行估計。計算電池功率狀態首先需估算出電池的峰值功率。在電池手冊中給出了鋰電池的額定功率，設計中所采用的電池容量為4800 mA·h，額定功率為12.58 W，峰值功率將由本系統檢測得出。由于電動汽車對動力型鋰電池峰值放電功率要求堅持時間不少于10 s，故在此以10 s 為標準探尋鋰電池峰值功率，鋰電池在滿電量狀態時，初始狀態采用1 A 電流放電設計，持續10 s，并由MOS 場效應管控制提高系統電流，柵源電壓UGS每次提高0.5 V，UGS在2.4～6 V 之間改變，系統將持續監測電池電流以及電池電壓，當系統電流到達一定程度，電池壓降下降到截止電壓以下時，則認定上次測試功率為峰值功率，截止電壓設定為3.2 V。其SOP 估算程序流程如圖4 所示。

4 系統測試

在完成系統設計后，按照上述硬件設計和軟件程序設計，搭建硬件實物，對系統進行測試。上電后，LCD12864 正常顯示。顯示“基于MSP430 單片機的鋰電池SOP 在線監測”字樣，自上電后到裝入鋰電池前一直維持該顯示界面不變。

圖4 鋰電池SOP 估算子程序Fig.4 Lithium battery SOP estimation subroutine

裝入鋰電池后，系統開始工作運行，顯示界面發生變化，由初始的界面變為顯示鋰電池電壓、電流的界面（如圖5a 所示），并且每隔10 s 變換一次電壓、電流的測得數據（如圖5b 所示），直至估算出SOP 值（如圖5c 所示），其測試結果如圖5 所示。

圖5 系統測試的顯示情況Fig.5 System test display

與此同時，將相關信息通過USB 接口傳輸到電腦，借助串口助手軟件接收，并在電腦端顯示。在此采用SSCOM V.13.1 進行調試工作，可以正常地顯示電壓、電流、SOP 等數據，鋰電池SOP 檢測系統上位機顯示如圖6 所示。經測試，可知該鋰電池的SOP 狀況，系統運行正常，能夠實現所有功能，系統調試測試完成。

圖6 上位機顯示界面Fig.6 PC display interface

5 結語

所設計的基于MSP430 的鋰電池SOP 在線監測系統，能夠完成鋰電池電壓/電流信號的在線檢測，并將電壓/電流信號通過SOP 估算子程序進行信號的分析與處理，估算出鋰電池的SOP 狀況，并由LCD12864 在線顯示，同時將所有信息通過串口助手上傳到上位機，實現鋰電池SOP 狀態的遠程監測功能。測試結果顯示，該系統可較好地完成了預定的功能，對鋰電池作為電動汽車動力源的使用狀態提高較好參考價值，具有較好的發展前景。