基于NEC單片機(jī)的電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

周 彬，任傳波，甄小勇，楊治學(xué)

（山東理工大學(xué) 交通與車(chē)輛工程學(xué)院，山東 淄博 255091）

制約電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵在于電池，因此能夠使電動(dòng)汽車(chē)正常運(yùn)行的電池組顯得非常重要.雖然當(dāng)前電池的生產(chǎn)技術(shù)在不斷進(jìn)步和改善，但電池組的正常高效運(yùn)行還存在一定問(wèn)題.電池組是由大量單體電池串聯(lián)而成［1］，當(dāng)充放電時(shí)，由于單體電池之間存在性能和工作環(huán)境差異，個(gè)別電池會(huì)出現(xiàn)過(guò)充、過(guò)放，甚至提前損壞等情況，從而使整個(gè)電池組的性能受到影響，降低其它單體電池的循環(huán)壽命和性能，為電動(dòng)汽車(chē)埋下安全隱患.電池管理系統(tǒng)（BMS，Battery Management System）可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的電壓、電流和溫度等重要參數(shù)，利用檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC估算，判斷電池組是否存在過(guò)流、過(guò)放、過(guò)充和溫度異常等狀況［2］.

1 電池管理系統(tǒng)

圖1為所設(shè)計(jì)的基于NEC－uPD78F0513D的電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括信號(hào)采集、處理及輸出3部分.在主芯片uPD78F0513D的控制下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)單體電池進(jìn)行電壓采集、電流采集及溫度采集.還可以通過(guò)對(duì)采集到的各電池信息進(jìn)行分析處理，得出當(dāng)前電池組的工作狀況是否處于過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流或者溫度過(guò)高等異常情況，從而進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示或報(bào)警提示，并采取相應(yīng)措施.

目前電池管理系統(tǒng)的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)主要有:（1）電池?zé)峁芾砑夹g(shù)；（2）數(shù)據(jù)采集精度；（3）SOC估算值的精度.本文重點(diǎn)介紹數(shù)據(jù)采集模塊.

圖1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 BMS數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，也是最重要的部分，數(shù)據(jù)的精度直接影響著整個(gè)系統(tǒng)后期的各種估測(cè)和判斷.電池管理系統(tǒng)采集到的電壓、電流和溫度等信息是衡量整個(gè)電池組當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)，本次設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)的各采集部分如下.

2.1 電壓采集

電池電壓采集硬件電路主要包括4部分:差分電路、模擬多路選擇開(kāi)關(guān)電路、隔離電路以及外部AD轉(zhuǎn)換電路.分為4部分對(duì)電壓進(jìn)行采集是因?yàn)榭紤]到了以下幾點(diǎn):電池組一般為多個(gè)單體電池串聯(lián)而成，因此需要多路選擇開(kāi)關(guān)對(duì)各單體電池進(jìn)行排序，依次檢測(cè)轉(zhuǎn)換，圖2為本系統(tǒng)多路選擇開(kāi)關(guān)電路，配合軟件可以實(shí)現(xiàn)；由于電動(dòng)汽車(chē)上存在復(fù)雜的電磁場(chǎng)，因此采用隔離電路減少對(duì)單片機(jī)的干擾，提高準(zhǔn)確度；采用差分電路同樣也具有隔離作用，而且還由于其輸出端阻抗小，能夠提高驅(qū)動(dòng)能力［3－4］；由于單片機(jī)A／D口資源的限制以及為降低單片機(jī)的工作強(qiáng)度，引入了外部A／D轉(zhuǎn)化電路.電池電壓采集過(guò)程如圖3所示.

圖2 模擬多路開(kāi)關(guān)電路

圖3 電池電壓采集過(guò)程

2.2 電流采集

當(dāng)前市面上的電流傳感器主要有霍爾電流傳感器和采樣電阻兩種.霍爾電流傳感器的原理是利用霍爾元件檢測(cè)電流經(jīng)過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而產(chǎn)生霍爾電壓信號(hào).根據(jù)電池管理系統(tǒng)對(duì)所用電流傳感器的特殊要求，最終選擇了CSM300B系列霍爾電流傳感器.

CSM300B輸出的是電流值，因此需要外接一個(gè)測(cè)量電阻Rm，從而獲取電壓信號(hào)值，然后經(jīng)過(guò)差分濾波電路，之后被送到單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換口上，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析.該電流獲取電路如圖4所示.

圖4 電流獲取電路

CSM300B可以測(cè)量0～±400A的電流，Rm是事先選好的定值電阻（0～20Ω），單片機(jī)獲取的電壓值為Ui.實(shí)際電流值計(jì)算公式為

2.3 溫度采集

一個(gè)好的電池管理系統(tǒng)，一定要有一個(gè)良好的熱管理系統(tǒng)，只有使電動(dòng)車(chē)動(dòng)力電池組始終處于一個(gè)合適、均勻的溫度環(huán)境中，才能提高電池的使用壽命和性能［5］.當(dāng)電池組中各單體電池溫度差異較大時(shí)，會(huì)使電池內(nèi)部產(chǎn)生不同的壓力，從而引起電池組中電池電壓不均衡，這樣會(huì)影響整個(gè)電池組的性能，降低電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力性能?chē)?yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電動(dòng)汽車(chē)的安全問(wèn)題.

本次采用了具有易安裝、測(cè)量精度高和測(cè)量電壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)的DS18B20傳感器，其溫度獲取電路及DS18B20實(shí)物圖如圖5所示

圖5中，1.GND為電源地；2.DQ為數(shù)字信號(hào)輸入、輸出端；3.VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線(xiàn)方式時(shí)接地）.

圖5 溫度獲取電路及DS18B20實(shí)物圖

3 系統(tǒng)綜合調(diào)試及運(yùn)行結(jié)果

本次程序開(kāi)發(fā)使用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，編寫(xiě)和調(diào)試環(huán)境使用的是瑞薩公司（原NEC公司）提供的配套軟件PM plus，使用配套軟件QB－Programmer通過(guò)燒寫(xiě)工具M(jìn)INICUBE2將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中.在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還使用了ID78K0－QB進(jìn)行程序的片上仿真調(diào)試［6］.

將編寫(xiě)好的程序刷入本次電池管理系統(tǒng)硬件電路板中，進(jìn)行綜合調(diào)試和運(yùn)行.其主程序流程圖如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

使用本次設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)對(duì)7節(jié)某品牌鎳氫電池進(jìn)行數(shù)據(jù)采集測(cè)試，首先將電池充滿(mǎn)電后放置一小時(shí)，然后連接該BMS通電進(jìn)行測(cè)量.7節(jié)電池電壓分別標(biāo)記為A～G，外加環(huán)境溫度標(biāo)記為H，BMS測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)LCD12864顯示屏顯示.使用萬(wàn)用表測(cè)量每一節(jié)電池電壓并記錄，使用激光溫度傳感器對(duì)電池表面進(jìn)行溫度測(cè)量為28.2℃，本系統(tǒng)測(cè)得溫度也為28℃.

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照表

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得，BMS的數(shù)據(jù)采集模塊采集的電壓和溫度數(shù)值與萬(wàn)用表、激光溫度傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)基本一致，因此測(cè)量結(jié)果較精確.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了基于NEC－uPD78F0513D的智能電池管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分的采集電路和數(shù)據(jù)采集方法，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了本電池管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集精確度高、采集穩(wěn)定可靠等特點(diǎn).為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)奠定了良好的基礎(chǔ).

［1］張治國(guó)，孔慶，崔納新.電動(dòng)汽車(chē)電池組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2011，35（10）:1224－1226.

［2］楊虎，杜常清，顏伏伍.高精度動(dòng)力電池組電壓采集單元設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2011，35（10）:1221－1223.

［3］劉松柏，姚曉陽(yáng)，吳正平.差分濾波電路在機(jī)車(chē)直流電壓信號(hào)采集中的應(yīng)用［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2010（6）:27－30.

［4］黎繼剛.鋰離子動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.杭州:浙江理工大學(xué)，2010.

［5］Oliver G，Steven C.Optimizing electric vehicle battery life through battery thermal management［R］.SAE，2011.

［6］NEC.78K0／KC2［Z］.Japan:NEC Electronics Corporation，2005.