基于串口通信的鋰電池檢測控制系統(tǒng)

張洪濤，裴 浩，楊名軍，葛 林

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

鋰電池作為一種理想的新型綠色電源，由于其優(yōu)越的性能，逐漸取代了以往常用的鉛酸電池和鎳鎘電池.鋰電池的優(yōu)點是高能量、安全性較高、工作溫度范圍寬、工作電壓平穩(wěn)、使用壽命長.但是由于鋰電池的輸出功率較小，所以通常是將鋰電池串聯(lián)起來作為鋰電池組使用.串聯(lián)使用的鋰電池組由于鋰電池個體之間制造工藝的區(qū)別，電池之間的電壓不可能完全一致，這樣會使鋰電池組在充放電過程中，容量高的電池會對容量低的電池放電，這種現(xiàn)象會大幅度降低鋰電池組的使用壽命，為了保證鋰電池組的使用壽命，必須給鋰電池組添加電池檢測系統(tǒng).

目前的鋰電池檢測系統(tǒng)大多數(shù)是固定在電池組上以便實時顯示電池組的工作狀態(tài)，為了使電池組的工作狀態(tài)可以準(zhǔn)確及時地顯示在上位機(jī)上，需要給鋰電池檢測系統(tǒng)添加串口通信模塊.本文針對四節(jié)鋰電池組成的鋰電池組，設(shè)計了一個以FPGA作為處理器的鋰電池檢測系統(tǒng).

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要分為以下三個模塊：FPGA控制模塊、電池數(shù)據(jù)采集模塊、串口通信控制模塊.其中FPGA控制模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和串口通信模塊的驅(qū)動，電池數(shù)據(jù)采集模塊主要包括電池組的電壓、電流、溫度三項數(shù)據(jù)的采集.本系統(tǒng)的串口通信模塊主要分成兩個模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊.數(shù)據(jù)發(fā)送模塊實時發(fā)送電池組的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)給上位機(jī)，電池組的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)主要包括電池的單體電壓，電池組的總體電壓、電流、溫度.數(shù)據(jù)接收模塊通過上位機(jī)給檢測系統(tǒng)發(fā)送控制指令，方便對電池組進(jìn)行保護(hù)［1］.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件平臺

本系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計平臺采用黑金開發(fā)板，該開發(fā)板配置的FPGA芯片是Cyclone II系列的EP2C8Q208C［2］，該芯片具有8256個邏輯單元，同時具有64M的SDRAM和16M閃存，滿足程序的存儲需求.開發(fā)板時鐘采用外部20MHz的晶振，具有各種常用接口，包括以太網(wǎng)接口，USB接口，RS232串行接口，VGA接口，PS／2接口.外部設(shè)備中開發(fā)板集成了6個共陽極的數(shù)碼管，4個LED燈，5個獨立按鍵以及一個蜂鳴器.此外，開發(fā)板擴(kuò)展了100個I／O口，可以給開發(fā)板添加外部電路.黑金開發(fā)板完全可以滿足設(shè)計需求.

2.2 電壓采集電路

電壓采集電路是針對四節(jié)鋰電池串聯(lián)所構(gòu)成的電池組的電壓進(jìn)行采集，采集芯片是常用的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，該芯片的參考電壓是5V，工作電壓也是5V，但是每節(jié)鋰電池的工作電壓約為3.7 V，串聯(lián)起來的電壓值超過了轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓，因此需要采用電阻分壓法，在電池組兩端串聯(lián)四個阻值完全相同的電阻，A／D轉(zhuǎn)換芯片只對其中一個電阻兩端的電壓進(jìn)行采集，這樣采集到的電壓值是實際電壓值的1／4.

電池組的電壓采集不僅是對電池組的電壓進(jìn)行采集，也需要對單體電池的電壓進(jìn)行采集，控制電池兩端開關(guān)的關(guān)斷就可以采集任意一節(jié)電池的電壓.電壓檢測電路如圖2所示，當(dāng)開關(guān)S1和S0閉合時采集電池V1的電壓值，開關(guān)S4和S6閉合時采集電池V2的電壓值，開關(guān)S2和S7閉合時采集電池V3的電壓值，開關(guān)S3和S5閉合時采集電池V4的電壓值［3］.

圖2 電壓采集電路

電壓采集電路中的開關(guān)采用光電繼電器TLP521＿1，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示，當(dāng)引腳tip＿1為低電平時，發(fā)光二極管發(fā)光，此時光敏器件兩端tip＿2和tip＿3導(dǎo)通，就實現(xiàn)了開關(guān)的閉合.

圖3 TLP521＿1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 電流采集電路

電池組的充放電電流有很大的不確定性，要盡量提高電流的采集頻率.采集電流的A／D轉(zhuǎn)換芯片使用TLC2543，該芯片的轉(zhuǎn)換時間為10μs，輸出12位數(shù)據(jù)，可以滿足采樣頻率和精度的要求.由于電流的變化量微小，為了實現(xiàn)電流采集的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換之前，添加了電流放大檢測芯片MAX4172.［4］該芯片可以將采樣的電流放大50倍后再輸出，輸出后的電流值經(jīng)過一個接地電阻轉(zhuǎn)化為電壓值，再由TLC2543采集.電流采集電路如圖4所示，MAX4172采樣經(jīng)過R5的電流，在其內(nèi)部將電流放大50倍后，通過OUT引腳輸出到電阻R6，將電流轉(zhuǎn)化成電壓.TLC2543采集電阻R6兩端的電壓值.電池組的充放電電流計算公式如下：

2.4 溫度采集電路

為了防止鋰電池在充放電過程中溫度過高，必須實時對電池組的溫度進(jìn)行采集.本設(shè)計中采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集電池組的溫度.DS18B20的硬件電路簡單，只有三個引腳，其中VCC和GND分別接電源和接地，DQ引腳則用于數(shù)據(jù)的傳輸，溫度采集電路見圖5.

2.5 時鐘分頻電路的設(shè)計

因為電池的數(shù)據(jù)采集電路中A／D轉(zhuǎn)換芯片都需要外部提供時鐘脈沖才能工作，ADC0809的工作時鐘脈沖為500kHz，TLC2543的時鐘脈沖為5 MHz，DS18B20的單總線通信的時序需要精確到us，因此需要1MHz的時鐘脈沖.時鐘的分頻可以通過 Quartus II中的軟件 Mega Wizard Plug－In Manager來構(gòu)建一個分頻電路.分頻電路如圖6所示，inclk0接50MHz的外部晶振，c0為50MHz的1／50，所以為1MHz.同理，c1為5MHz，c2為500 kHz.［5］

圖4 電流采集電路

3 量系統(tǒng)的軟件設(shè)計

為了驅(qū)動系統(tǒng)中各個模塊的正常工作，需要通過軟件的方法對各個模塊進(jìn)行控制.本設(shè)計中采用Verilog HDL來實現(xiàn)軟件的設(shè)計，Verilog HDL的部分語法參照C語言的語法設(shè)立，因此也具備了C語言的優(yōu)點.Verilog HDL的代碼使用靈活，具有很強(qiáng)的電路描述能力，可以提高系統(tǒng)設(shè)計的效率和可靠性.

本系統(tǒng)的軟件流程見圖7，分為電壓采集控制、電流采集控制、溫度采集控制、串口通信控制.其中電池的數(shù)據(jù)采集、串口通信的數(shù)據(jù)發(fā)送都是同時進(jìn)行的，以方便實時地將電池組的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確發(fā)送給上位機(jī).

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

最后的串口通信控制，是用戶通過上位機(jī)觀察到系統(tǒng)發(fā)送過來的電池組的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)向系統(tǒng)發(fā)送指令，停止電池組的充放電，以達(dá)到對電池組的保護(hù).

4 量仿真結(jié)果分析

本文在軟件Quartus II中對ADC0809，TLC2543進(jìn)行了時序仿真（圖8）.由圖8，clk＿500k是ADC0809的時鐘脈沖，d是經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換后輸入給處理器的數(shù)字量，q是處理器經(jīng)過處理后顯示的數(shù)字量，第一個周期由于輸出使能端oe在eoc為高電平的時候沒有置高，所以數(shù)據(jù)不能傳輸?shù)教幚砥?第二和第三個周期可以看到數(shù)據(jù)正常傳輸?shù)教幚砥鞑@示.

圖9是TLC2543的時序仿真圖形，icclk是TLC2543所需的時鐘脈沖，icout是處理器的控制字輸入端，icin是經(jīng)過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.因為TLC2543是在處理器輸入控制字的同時，將上一次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥?，所以第一個周期的數(shù)據(jù)為0，第二個周期的數(shù)據(jù)則是第一個周期是icin的輸入數(shù)據(jù).

［1］張洪濤，周 航，彭瀟麗，等.FPGA的動力電池檢測系統(tǒng)研究［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，27（2）：4－7.

［2］褚振勇，奇 亮.FPGA設(shè)計及應(yīng)用［M］.第二版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002.

［3］陳洪超，李相東.鋰離子電池原理、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景［J］.南京：軍事通信技術(shù)，2005（1）：12－15.

［4］楊新偉.便攜式電動工具鋰電池組智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)圖書館，2010.

［5］周朝陽.基于FPGA＿NIOS的電池充電均衡系統(tǒng)研究［D］.西安：西安交通大學(xué)圖書館，2008.