基于MC9S12DT128B的電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

摘要： 隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 電池需求數(shù)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計。以MC9S12DT128B微控制器為核心的電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)， 實時檢測電池的相關信息， 并將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機， 為電池狀態(tài)估算提供依據(jù)。上位機監(jiān)控系統(tǒng)用VC++ 編寫， 用于數(shù)據(jù)的讀取及存儲、參數(shù)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(jīng)實驗驗證， 本系統(tǒng)對電池信息進行實時檢測具有較高的精度， 系統(tǒng)運行穩(wěn)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(shù)對電池荷電狀態(tài)( 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(shù)進行全面、精確的測量， 實現(xiàn)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(tǒng)相比， 該測試平臺可全面監(jiān)測電池相關參數(shù)， 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(tài)( SOE,Sta te- O f- Energy)的角度對電池的使用效率進行分析。系統(tǒng)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(jiān)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(huán)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。由微型計算機構成的上位機監(jiān)控系統(tǒng)， 實時顯示并記錄接收到的測試數(shù)據(jù)， 對數(shù)據(jù)進行分析， 監(jiān)控測試系統(tǒng)工作狀態(tài)。另外可根據(jù)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(xiàn)電池組的充放電， 完成電池和電網(wǎng)之間能量的雙向流動， 與監(jiān)控PC 機通過CAN 通信， 可接收監(jiān)控PC機的編程控制指令。文中主要完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計并實現(xiàn)各部分之間的實時通訊。

　　圖1 平臺結構圖

　　3 系統(tǒng)硬件設計

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(zhuǎn)換電路即可實現(xiàn)與上位機之間的232通信。本設計使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)溫度檢測， 它支持1- w ire總線協(xié)議， 可利用單片機的一個端口來讀取多個檢測點的數(shù)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(jié)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(jié)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(shù)可通過程序?qū)懭?。當某?jié)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(jié)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(jié)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(tǒng)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(nèi)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(nèi)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(shù)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。