CC430F5137單片機(jī)的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊光,李廣勇,孟祥志,孫起山

(山東理工大學(xué),淄博 255049)

楊光(碩士研究生),主要研究領(lǐng)域?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。

引 言

隨著新能源汽車(chē)的不斷發(fā)展,大型工廠開(kāi)始逐步使用動(dòng)力電池驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸車(chē)輛。電動(dòng)汽車(chē)目前常用的電池有鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。電池是一個(gè)集成高能量的物體,它的使用以及安全管理就顯得尤為重要。目前的電動(dòng)汽車(chē)中缺少能夠?qū)崟r(shí)、直觀、在線(xiàn)地反映蓄電池狀況的設(shè)備,由于對(duì)蓄電池保養(yǎng)不及時(shí)、保管不善、放電過(guò)度而造成的早期損壞,給企業(yè)帶來(lái)一定的損失。電池管理系統(tǒng)能解決這一問(wèn)題,因此研究一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池工作狀況的系統(tǒng)有著十分重要的價(jià)值和意義。

[1]設(shè)計(jì)出的蓄電池管理系統(tǒng)缺少數(shù)據(jù)的傳輸功能,使得應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)是以DSP為控制核心,其成本較高,而且系統(tǒng)運(yùn)行的功耗也較高,有較大的局限性。

針對(duì)以上缺點(diǎn),現(xiàn)采用基于單片機(jī)CC430F5137為控制核心的設(shè)計(jì)方案。CC430F5137內(nèi)部集成了CC1101無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器,可以實(shí)現(xiàn)100～200 m的無(wú)線(xiàn)傳輸功能,而且CC430F5137具有MSP430系列單片機(jī)的低功耗特性。以上優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了目前電池管理系統(tǒng)的缺陷,達(dá)到了目前應(yīng)用的要求。

1 電池管理系統(tǒng)運(yùn)行原理

本系統(tǒng)安裝在電動(dòng)汽車(chē)中,可以實(shí)時(shí)監(jiān)視電池的狀況。當(dāng)電池汽車(chē)充電時(shí),系統(tǒng)可以將充電數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸給充電中心,并自動(dòng)進(jìn)行充放電管理。這樣充電中心就可以實(shí)時(shí)了解充電的狀態(tài),而且充電中心不用將其他線(xiàn)路接入汽車(chē)內(nèi),減少了搭建線(xiàn)路的麻煩,提高了工作效率;當(dāng)汽車(chē)在正常使用電池時(shí),系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池的用電情況,在剩余電量不足時(shí)及時(shí)通知駕駛?cè)藛T,并將警報(bào)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送給充電中心,告知需要充電。

圖1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。本系統(tǒng)以CC430F5137為控制核心;蓄電池充放電控制電路主要是對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行管理,大功率蓄電池充放電電流較大,需要充放電控制電路對(duì)電池進(jìn)行保護(hù)充放電,以免損壞電池;蓄電池檢測(cè)電路主要是檢測(cè)電池的充放電電壓、充放電電流和電池溫度等;LCD顯示電路用于顯示電池電壓、溫度、電量等參數(shù),以給使用人員提供一個(gè)參考;CC1101無(wú)線(xiàn)電模塊用于將采集的電池?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)電發(fā)送給充電中心,以便充電中心進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

2 蓄電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

蓄電池管理系統(tǒng)包括電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。

2.1 電流、電壓檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中,單片機(jī)需要對(duì)蓄電池組的整體電壓和單節(jié)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)。目前有兩種檢測(cè)方法:一種是采用霍爾電壓傳感器來(lái)轉(zhuǎn)換被測(cè)電壓,再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行采樣;另一種是采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路,再用A/D轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行采樣。第二種方法對(duì)于電壓范圍較固定的條件下比較適合,如果有大電壓或者電壓范圍較大的情況下,采用第一種方法比較適合。本系統(tǒng)采用第一種檢測(cè)方法。

2.1.1 模擬采樣芯片的選擇

本系統(tǒng)選用AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來(lái)采集模擬信號(hào)。AD7656是利用創(chuàng)新的半導(dǎo)體制造工藝(iCMOS)制作的高集成度、6通道同時(shí)采樣的16位逐次逼近型的ADC。其吞吐率高達(dá)250 ksps,可以6通道同時(shí)采樣;支持并行、串行和菊花鏈的接口模式;可以與處理器的SPI、QSPI等高速串口實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接;寬帶寬輸入,輸入頻率為50 kHz時(shí)的信噪比(SNR)為86.5 dB;在供電電壓為5 V、采樣速率為250 ksps時(shí),功耗為140 mW。如圖2所示,AD7656有兩個(gè)電源輸入端,分別為模擬電壓輸入端AVCC和數(shù)字電壓輸入端DVCC。在AD7656同時(shí)轉(zhuǎn)換6通道數(shù)據(jù)時(shí),需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入電源,以便達(dá)到高精度的要求,所以AVCC的去耦就顯得十分重要。在本系統(tǒng)中的供電電源的輸出端加一磁珠,以便提供較好的電源。在電路的接地設(shè)計(jì)中,AD7656的DGND與AGND需要相互分開(kāi)接地,以免相互影響。本系統(tǒng)中電源正電壓VDD為+12 V,邏輯電源VDRIVE、數(shù)字電源DVCC、模擬電源AVCC的供電電壓均為+5 V,電源負(fù)電壓VSS的供電電壓為-12 V。RANGE端口接地,即選擇輸入范圍±10 V;W/B接地表示16位并行輸出;AD7656的STBY接VDRIVE,選擇正常模式;SER/PAR端口接地,選擇并行接口;WR/REFEN/DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。

CC430F5137與AD7656的硬件連接圖如圖2所示。CC430F5137的P0口的16個(gè)I/O端口作為并行數(shù)據(jù)口,與AD7656的并行數(shù)據(jù)口DB0～DB15相連;P1.0端口與AD7656的BUSY相連,用來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束;P1.1端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個(gè)端口相連,作為AD7656的6路A/D同時(shí)采樣啟動(dòng)控制口;P1.2端口與AD7656的讀信號(hào)/RD相連作為讀取數(shù)據(jù)控制口;P1.3端口與AD7656的/CS端相連作為片選控制口;P1.4端口與AD7656的 RESET端相連作為 AD7656的重啟控制端口。

圖2 CC430F5137與AD7656硬件連接圖

2.1.2 電流檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電流檢測(cè)模塊采用的是霍爾電流傳感器,其測(cè)量范圍是0～100 A,電流信號(hào)按1:1000的比例縮小后在精密采樣電阻上變成電壓信號(hào)。如圖3所示,將流經(jīng)待測(cè)電流的導(dǎo)線(xiàn)穿入傳感器缺口處,此時(shí)M端輸出的電流是與待測(cè)電流同比例縮小的信號(hào)。該電流信號(hào)流經(jīng)采樣電阻后,在電阻兩端形成一個(gè)電壓降,由于電阻的一端接地,所以電阻的另一端VO即轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)。電流傳感器輸出的電流范圍為0～100 mA,所以采樣電阻的大小決定輸出的電壓范圍,根據(jù)AD7656模擬轉(zhuǎn)換芯片對(duì)輸入電壓的要求以及電流傳感器的轉(zhuǎn)換比例,選擇采樣電阻R的阻值為100 Ω,得到輸出信號(hào)的電壓在0～10 V以?xún)?nèi),滿(mǎn)足A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓要求。

圖3 AD7656與電流傳感器連接圖

2.1.3 電壓檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)模塊采用的是霍爾電壓傳感器加A/D轉(zhuǎn)換器的測(cè)量方法。如圖4所示,電壓檢測(cè)模塊采用的霍爾電壓傳感器。其測(cè)量范圍為0～200 V,電壓傳感器的額定輸入電流為0～10 mA,所以在將電池的電壓接入霍爾電壓傳感器前,需要在電壓傳感器接入之前串入一個(gè)限流電阻R1,根據(jù)輸入電壓的范圍,R1的阻值選為20 kΩ,電阻的精度必須要求足夠高,因?yàn)殡娮鑂1的精度將直接影響輸入電壓的精度,進(jìn)而影響整個(gè)電壓測(cè)量的精度。如圖4所示,電壓傳感器的輸出端M輸出一個(gè)電流信號(hào),其范圍為0～25 mA,但是A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)要求為一個(gè)電壓信號(hào),所以需要將電壓傳感器輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),在電壓傳感器的輸出端M與地之間串聯(lián)一個(gè)電阻R2,這樣輸出端M輸出的電流作用在電阻R2得到電壓信號(hào),依照A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的電壓信號(hào)范圍要求,R2的阻值選為400 Ω。

圖4 AD7656與電壓傳感器連接圖

2.2 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

電池在充放電過(guò)程中,內(nèi)部的部分能量會(huì)以熱能的形式進(jìn)行釋放,如果單個(gè)電池溫度過(guò)高,則會(huì)影響電池的壽命,甚至導(dǎo)致電池爆炸。電池在不同的溫度下會(huì)表現(xiàn)出不同的物理特性,測(cè)量出電池的溫度,并根據(jù)其內(nèi)部固有的性能指標(biāo)去使用和維護(hù)電池,這對(duì)于延長(zhǎng)電池使用壽命以及讓電池達(dá)到最佳使用效果是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)?？紤]到設(shè)備低功耗要求和成本限制,在本系統(tǒng)中選擇了Maxim公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量。DS18B20是一款高速度、高精度的溫度傳感器,在安裝溫度傳感器時(shí),需要將其盡可能地貼近蓄電池。DS18B20的電源供電電壓為3 V;測(cè)量范圍為-55～+125℃;測(cè)量精度為0.5℃。溫度采集電路圖如圖5所示,DS18B20的供電電壓為3 V,單片機(jī) CC430F5137的P1.5口與DS18B20的DQ口相連,用來(lái)控制DS18B20。

圖5 溫度采集電路圖

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸模塊由CC430F5137單片機(jī)內(nèi)部集成的CC1101無(wú)線(xiàn)電模塊構(gòu)成。CC430F5137單片機(jī)是TI公司的MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗,而且其采用電池供電的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用,無(wú)需維修即可工作長(zhǎng)達(dá)10年以上。微型封裝所包含的高級(jí)功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動(dòng)力,以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430F5137為16位超低功耗 MCU,具有16 KB閃存、CC1101無(wú)線(xiàn)電和2 KB RAM,供電電壓范圍為1.8～3.6 V,正常工作模式消耗電流為160 μ A/MHz,LPM_3消耗電流為 2.0 μ A[4]。

CC430F5137單片機(jī)內(nèi)部集成了CC1101無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性,無(wú)線(xiàn)電的RF頻率設(shè)為915 MHz,信道間隔為100 kHz,數(shù)據(jù)傳輸率為38.4 kbps,發(fā)送功率最大可以達(dá)到-109 dBm,傳輸距離可以達(dá)到200 m。距離較遠(yuǎn)的情況下可以外接大功率天線(xiàn),增加傳輸距離,根據(jù)傳輸距離調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小,使功耗盡量最低。CC430F5137的 RF無(wú)線(xiàn)電硬件電路如圖6所示。CC430F5137的供電電壓為+3.3 V,外接頻率為26 MHz的石英晶振。其中RF_N和RF_P為RF無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器的接收發(fā)射引腳,兩引腳外接天線(xiàn),用以增加傳輸距離。

圖6 CC430F5137的RF無(wú)線(xiàn)電硬件電路圖

3 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括SoC電量檢測(cè)子程序、電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序和電池充電時(shí)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì),下面就這各部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 SoC電量檢測(cè)子程序

蓄電池管理系統(tǒng)中,常用的SoC計(jì)算方法有庫(kù)倫計(jì)算法、開(kāi)路電壓法、阻抗測(cè)量法、綜合查表法等。出于系統(tǒng)低功耗特性以及成本考慮,本系統(tǒng)采用綜合查表法。電池的剩余容量SoC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)有著密切的聯(lián)系。通過(guò)電池固有的特性設(shè)置一個(gè)相關(guān)表,根據(jù)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以算出得到電池的剩余電量值。剩余電量檢測(cè)程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化完畢后開(kāi)始檢測(cè)電池的電壓、電流、溫度參數(shù),然后根據(jù)已經(jīng)列出的相關(guān)表計(jì)算出電池的剩余電量,將所算出的數(shù)據(jù)通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示。同時(shí),將此數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊傳輸給充電中心,如果剩余電量不足,系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置,告知人員電量不足。

3.2 電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

在電池正常使用時(shí),CC430F5137會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)電池的各項(xiàng)參數(shù),包括電壓、電流、溫度等。根據(jù)查表法就可以計(jì)算出電池的剩余電量,如果電量不足,系統(tǒng)會(huì)提示使用人員,告知電量不足,并通過(guò)CC430F5137內(nèi)部集成的RF無(wú)線(xiàn)電模塊,將電量不足的信息發(fā)送給充電中心。如果電池的輸出電流較大,超過(guò)電池的固有指標(biāo),系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出警報(bào),告知電池有特殊情況,并及時(shí)檢查更換電池。

電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序流程如圖8所示。首先系統(tǒng)會(huì)檢測(cè)電池的相關(guān)參數(shù),并計(jì)算電量,顯示電池的相關(guān)信息,如果有警報(bào)發(fā)生,系統(tǒng)會(huì)及時(shí)通知使用人員和充電中心。

圖7 剩余電量檢測(cè)程序流程

3.3 電池充電時(shí)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

因?yàn)樵陔姵爻潆姷牟煌A段,電池輸入的電壓和電流需要不斷變化,所以在充電過(guò)程中系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)地檢測(cè)電池的輸入電壓、電流和溫度等參數(shù),然后根據(jù)查表法計(jì)算出電池的電量,并將電量信息通過(guò) RF無(wú)線(xiàn)電發(fā)送給充電中心。這樣充電中心依照電池的實(shí)時(shí)參數(shù)不斷地控制充電電壓和充電電流,來(lái)更好地進(jìn)行充電。

其系統(tǒng)程序流程如圖9所示。

系統(tǒng)初始化后,會(huì)不斷檢測(cè)電池的相關(guān)參數(shù),然后將電池的相關(guān)信息發(fā)送給充電中心,同時(shí)判斷是否已經(jīng)充滿(mǎn),如果充滿(mǎn)電,則會(huì)通知人員電池已充滿(mǎn)。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出了一種基于CC430F5137單片機(jī)的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電池的使用情況,將電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給用戶(hù)。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,有較好的應(yīng)用前景。

圖8 電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序流程

圖9 電池充電時(shí)系統(tǒng)程序流程

參考文獻(xiàn)

[1]楊森,劉一兵.基于MSP430單片機(jī)的車(chē)輛蓄電池報(bào)警器設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2010(3):39-40.

[2]宋海斌,常越.基于TMS320F2407A的蓄電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2005(7):34-36.

[3]趙玉珍,王麗華.論混合動(dòng)力汽車(chē)蓄電池管理系統(tǒng)[J].民營(yíng)科技,2010(5).

[4]Texas Instruments.MSP430 SoC with RF Core Datasheet[EB/OL].[2011-04].http://www.ti.com.