FPGA的動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng)研究

張洪濤，周 航，彭瀟麗，吳 芬

（湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北 武漢430068）

動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，要求具有高使用效率和高使用壽命，因此，電池檢測(cè)系統(tǒng)的好壞是動(dòng)力電池能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵.電池檢測(cè)系統(tǒng)的功能是能夠檢測(cè)電池的單體和整組的荷電狀態(tài)，在保障電池安全和使用壽命的前提下，充分發(fā)揮電池的性能.并且能夠防止電池出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電以及過(guò)熱等問(wèn)題［1］.

目前的電池檢測(cè)系統(tǒng)有的使用專用電池管理芯片，但專用芯片功能簡(jiǎn)單、運(yùn)算能力差，不能滿足系統(tǒng)需要.本文針對(duì)一個(gè)三路的動(dòng)力電池組，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于FPGA的動(dòng)力電池檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確顯示.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)大致分為四個(gè)部分：電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、溫度保護(hù).電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集包括電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路.通過(guò)這三個(gè)電路采集電池特性，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，通過(guò)處理器將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并顯示.設(shè)置報(bào)警溫度與采集溫度進(jìn)行對(duì)比，如果溫度超出報(bào)警溫度，則啟動(dòng)溫度保護(hù)模塊.系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板，開(kāi)發(fā)板的主控芯片是CycloneⅡ系列EP2C35F672C6.該開(kāi)發(fā)平臺(tái)的硬件功能較為強(qiáng)大：有各種常用的存儲(chǔ)器，包括8 M 字節(jié)SDRA M、512 K字節(jié)SRA M、4 M 字節(jié)閃存、可擴(kuò)展SD卡；有各種常用的I／O接口，包括一個(gè)三線的RS232串行接口和PS／2接口、VGA接口、以太網(wǎng)接口、一個(gè)USB2.0接口、視頻輸入接口、音頻輸入輸出接口及2個(gè)GPIO口；有多種顯示控制元器件，包括7個(gè)數(shù)碼管，一個(gè)1602液晶顯示屏，18個(gè)紅色的發(fā)光二極管，9個(gè)綠色的發(fā)光二極管，4個(gè)按鍵，18個(gè)波段開(kāi)關(guān)及兩個(gè)晶振時(shí)鐘（27 MHz和50 MHz）［2］.在已有的兩個(gè)晶振時(shí)鐘不能滿足系統(tǒng)需求的情況下，還可以從外部接入所需要的晶振時(shí)鐘.因此DE2可以勝任該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)任務(wù).

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 時(shí)鐘分頻電路的設(shè)計(jì)

該模塊使用系統(tǒng)自帶的50 MHz的時(shí)鐘主頻率，采用Verilog HDL對(duì)其進(jìn)行分頻.得到5 MHz（cl k＿5 M）、500 k Hz（cl k＿500 K）和1 MHz（cl k＿1 M）的時(shí)鐘頻率分別供給電流檢測(cè)模塊、電壓檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊.時(shí)鐘分頻電路的Veril og HDL硬件描述語(yǔ)言如下所示.

2.3 電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

該模塊針對(duì)三路電池組的電壓進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)的控制，可以對(duì)電池組的單節(jié)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，也可以對(duì)電池組的總體電壓進(jìn)行檢測(cè).由于三路電池組的電壓高于10 V，而該模塊所采用的AD轉(zhuǎn)換芯片是ADC0809.其工作電壓為5 V，參考電壓也為5 V，所以采用電阻分壓法，在電池組兩端串聯(lián)三個(gè)阻值相同的電阻.而ADC0809只對(duì)其中一個(gè)電阻兩端的電壓進(jìn)行檢測(cè).因此，測(cè)得的電壓為實(shí)際電壓的1／3，電路圖見(jiàn)圖2.

圖2 電壓檢測(cè)電路

該電路的開(kāi)關(guān)采用可控制的光電藕合器件TLP521－1.本電路采用6個(gè) TLP521－1，由處理器控制（圖2），S0和S1導(dǎo)通則所測(cè)的是電池V1的電壓，S2和S4導(dǎo)通則測(cè)的電池V2的電壓，S3和S5導(dǎo)通則測(cè)的電池V3的電壓，S0和S3導(dǎo)通則測(cè)的是電池組的總體電壓.

2.4 電流檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

對(duì)于電流的數(shù)據(jù)采集是否準(zhǔn)確直接影響著電池管理系統(tǒng)整體性能是否良好，由于電池組在實(shí)際充放電過(guò)程中電流的變化有很大的不確定性，因此電流的采集需要單獨(dú)進(jìn)行，并具有盡可能高的采樣頻率.電流檢測(cè)電路見(jiàn)圖3.

圖3 電流檢測(cè)電路

在電池組與負(fù)載之間加上一個(gè)50 mΩ的測(cè)流電阻R4來(lái)檢測(cè)負(fù)載電流，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)電流檢測(cè)放大器MAX4172的RS＋端到RS－端，在MAX4172的內(nèi)部放大50倍后由OUT引腳輸出，再經(jīng)過(guò)對(duì)地電阻R5

［3］.AD轉(zhuǎn)換芯片TLC2543采集電阻R5兩端的電壓.測(cè)得

其中：Gm為MAX4172的跨導(dǎo)，其值為10 mA／V.為了滿足采集電流的采樣頻率，本文選用TLC2543作為AD轉(zhuǎn)換芯片.該芯片是一款12位分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，在溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs，既可滿足采樣頻率，又可滿足精度要求［4］.

2.5 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

溫度采集電路在硬件電路設(shè)計(jì)上比較簡(jiǎn)單（圖4），主要采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，只需將其三個(gè)管腳按圖4所示連接，并且多片DS18B20可以直接并聯(lián)在這三根線上，主要通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)溫度的轉(zhuǎn)換和讀取.

圖4 溫度檢測(cè)電路

2.6 電池溫度保護(hù)模塊

電池組的工作溫度范圍在－20～60℃之間，影響電池組安全性的主要原因是熱失控.為了保證電池組的性能良好，溫度保護(hù)模塊非常重要.上節(jié)提到的溫度檢測(cè)電路可以實(shí)時(shí)采集電池組的工作溫度，本文用程序設(shè)定一個(gè)報(bào)警溫度，當(dāng)所采集的溫度達(dá)到報(bào)警溫度時(shí)，電池組與負(fù)載之間斷開(kāi)，使電池停止工作.并且在電池組處安裝一個(gè)小風(fēng)扇，當(dāng)溫度達(dá)到報(bào)警溫度時(shí)，處理器控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，加快電池散熱.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

FPGA的軟件設(shè)計(jì)是在Nios II IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，Nios II IDE是Nios系列軟核處理器中使用最普遍的開(kāi)發(fā)工具，可以在該開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成所有的軟件開(kāi)發(fā)任務(wù)，比如對(duì)程序進(jìn)行編輯、編譯、下載、調(diào)試等等.NiosⅡ系列32位RISC嵌入式處理器具有超過(guò)200DMIP的性能，靈活性高，可以在多種系統(tǒng)設(shè)置組合中進(jìn)行選擇，而且成本低，開(kāi)發(fā)周期短，適應(yīng)性強(qiáng).一臺(tái)電腦、一塊開(kāi)發(fā)板和一條JTAG下載線就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試［5］.

本系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示，分為電壓檢測(cè)控制、電流檢測(cè)控制、溫度檢測(cè)控制、溫度保護(hù)控制4個(gè)部分.其中電流檢測(cè)、電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行，可根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)和報(bào)警溫度進(jìn)行比較，控制電池組的斷開(kāi)和風(fēng)扇的開(kāi)啟.

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本 文 在 軟 件 Quartus II中 對(duì) ADC0809，TLC2543進(jìn)行了時(shí)序仿真.圖6是ADC0809的時(shí)序仿真圖形.由圖6所示，clk＿500k是ADC0809的時(shí)鐘脈沖，d是經(jīng)過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換后輸入給處理器的數(shù)字量，q是處理器經(jīng)過(guò)處理后顯示的數(shù)字量，第一個(gè)周期由于輸出使能端oe在eoc為高電平的時(shí)候沒(méi)有置高，所以數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)教幚砥?第二和第三個(gè)周期可以看到數(shù)據(jù)正常的傳輸?shù)教幚砥鞑@示.

圖7是TLC2543的時(shí)序仿真圖形，iccl k是TLC2543所需的時(shí)鐘脈沖，icout是處理器的控制字輸入端，icin是經(jīng)過(guò)TLC2543轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，data是處理器處理后顯示的數(shù)字量.因?yàn)門LC2543是在處理器輸入控制字的同時(shí)，將上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鳎缘谝粋€(gè)周期的數(shù)據(jù)為0，第二個(gè)周期的數(shù)據(jù)則是第一個(gè)周期是icin的輸入數(shù)據(jù).

表1是系統(tǒng)所采集的電壓與實(shí)際電池組的電壓的對(duì)比，可以看出該系統(tǒng)在時(shí)序和數(shù)據(jù)顯示的準(zhǔn)確度上都可以滿足設(shè)計(jì)要求.

表1 電池組測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)旨在建立一個(gè)基于FPGA控制的小型電池檢測(cè)系統(tǒng)，以Altera公司的Cyclone II系列的FPGA芯片EP2C35F672C6為主控芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池組的電壓、電流、溫度三種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、監(jiān)控和顯示，并且防止電池組在工作時(shí)溫度過(guò)高.在軟件方面，系統(tǒng)以NiosⅡIDE作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，由于NiosⅡIDE可以提供工程模板形式的代碼實(shí)例，使得工作系統(tǒng)建立的速度快速提升.利用FPGA系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短、高效靈活、擴(kuò)展容易的特點(diǎn)，可以不斷升級(jí)電池檢測(cè)系統(tǒng)，增加更多功能.

［1］劉曉康，詹瓊?cè)A，何葵，等.電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)的研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（8）：83－84.

［2］張志剛.FPGA與SOPC設(shè)計(jì)教程：DE2實(shí)踐［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007：30－31.

［3］王 晨，李延軍，張玉興.基于 MAX4172的電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［A］∥2010通信理論與技術(shù)新發(fā)展——第十五屆全國(guó)青年通信學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)）［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011：238－240.

［4］杜開(kāi)初.串行12位 A／D TLC2543及其應(yīng)用［J］.世界電子元器件，2000（10）：37－38.

［5］ALTERA 公司［EB／OL］.（2010－06）［2010－07－15］http：／／www.altera.com／literature／lit－nio2.jsp.