基于智能傳感器的動力電池電流監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

鄧鵬程，劉 斌，魏克新

(天津理工大學(xué)，天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點實驗室，天津 300384)

0 引言

近年來，電動汽車作為解決能源、環(huán)境問題的一個重要發(fā)展方向得到了大力發(fā)展，而動力電池作為電動汽車的重要組成部分，一直是制約電動汽車規(guī)模發(fā)展的技術(shù)瓶頸。據(jù)統(tǒng)計，使用3年以上的動力電池有 0.1% ～1%失效［1］。因此有效地監(jiān)控和管理電池便尤為重要。而精確實時檢測電池各項參數(shù)，是有效管理電池的基礎(chǔ)。其中電流參數(shù)的檢測尤其重要，不僅是因為電流參數(shù)的測量準(zhǔn)確性直接影響電池SOC估算的準(zhǔn)確性，而且電流在電動汽車運行的一系列過程中變化很大，從靜止?fàn)顟B(tài)下的mA級，到平穩(wěn)運行時的工作電流在幾十A之間，再到車輛啟動或短時加速時過百A的電流，所有這些都必須精確檢測出來［2］，這就對電流檢測的范圍和精度提出了很高的要求，需要一種寬量程高精度的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

為了精確和實時地檢測動力電池電流數(shù)據(jù)，并進(jìn)一步實現(xiàn)對電池的可靠管理，設(shè)計的電流監(jiān)測系統(tǒng)采用智能電池傳感器MM912J637作為電流監(jiān)測系統(tǒng)核心，負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)的采集;采用MC9S12XS128單片機為監(jiān)測系統(tǒng)主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收，共同組成了高精度動力電池電流監(jiān)測系統(tǒng)。電流檢測單元與主控芯片之間采用LIN通信，監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果由主控芯片進(jìn)行相應(yīng)的處理，并可以通過RS232總線在上位機上實時顯示，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

目前電流檢測方式主要有2種:電阻分流法和霍爾傳感器法。在電動汽車這一特殊應(yīng)用場合中，電阻分流法比霍爾傳感器法更具有優(yōu)勢，霍爾傳感器體積較大，線性和溫度特性不理想，在測量范圍低端的線性度很難保證，因此本系統(tǒng)采用的是分流電阻法檢測電流?？紤]到在大電流情況下的功耗問題，系統(tǒng)采用的是100 μΩ極低阻值分流電阻，該精密電阻采用錳銅合金制作，具有很低的溫度系數(shù)和熱電動勢，同時極低的阻值也減少了測量過程中的功率損耗。

1.2 LIN總線通信協(xié)議

LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能，在智能傳感器、汽車制動器等得到較廣泛的使用。在LIN總線上發(fā)送的信息都是由報文幀格式發(fā)送，一個完整的報文幀如圖2?？偩€的通訊由單個主機控制，每個報文幀都用一個同步間隔起始，接著是一個同步場和一個標(biāo)識符場，這些都由主機任務(wù)發(fā)送;從機任務(wù)則是發(fā)送數(shù)據(jù)場和校驗場［3］。

圖2 LIN報文幀

在電流監(jiān)測系統(tǒng)中，MC9S12XS128作為主節(jié)點，MM912J637作為從節(jié)點。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)LIN通信采用了增強型校驗和，將數(shù)據(jù)場各字節(jié)和標(biāo)識符作為校驗對象，將校驗對象的各字節(jié)做帶進(jìn)位二進(jìn)制加法計算，并將最終的和逐位取反作為發(fā)送的校驗和。

2 硬件設(shè)計

2.1 電流檢測單元設(shè)計

電流檢測單元以飛思卡爾電池傳感器MM912J637為核心，該芯片是用于汽車電池監(jiān)控的高集成度智能傳感器(Intelligent Battery Sensor，IBS)，可以同時高精度測量電池電流和電壓以及其他參數(shù)，工作溫度范圍寬達(dá)－40～125℃。芯片內(nèi)部集成S12微控制器，這使得測量數(shù)據(jù)的處理、存儲以及傳輸?shù)裙δ芸梢栽诒镜赝瓿?。片上集成了LIN 2.1接口，可實現(xiàn)電池監(jiān)測功能的通信和控制［4］。MM912J637和一般的汽車電池檢測方案相比，這個芯片的最大特點就是高度集成，它內(nèi)部集成了濾波器、自動控制的PGA等，這樣采用專用硬件模塊承擔(dān)軟件的任務(wù)，不僅降低了軟件的復(fù)雜性，也使得測量的結(jié)果準(zhǔn)確且實時。

檢測單元電路原理圖如圖3所示，其中CON1為電壓檢測預(yù)留端口，CON5和CON6為芯片供電的正負(fù)端，CON2和CON3是電流檢測輸入端，CON4為LIN通信端口，CON9是BDM調(diào)試接口，通過BDM接口完成程序的下載和調(diào)試。

MM912J637芯片外部電源供電電壓范圍較大，為3.5～28 V，因此可以直接向芯片供電端口VSUP提供汽車級的12 V電壓而無需其它的電壓轉(zhuǎn)換電路。芯片通過防反接二極管D1與12 V電源相連，C8與 C9是電源退耦電容，容值分別為4.7 μF和100 nF ISENSEH和ISENSEL為電流檢測信號的輸入端。分流電阻和電容C1、C2、C3構(gòu)成外圍電流檢測電路。測量電流經(jīng)過分流電阻產(chǎn)生mV級壓降，為了改善檢測電路的電磁兼容特性加入了 C1、C2、C33個電容，取值都為100 pF。

圖3 電流檢測單元接口電路

為了提升整個測量電路的電磁兼容特性，系統(tǒng)采用多點接地降低地線阻抗;數(shù)字地與模擬地分開最終單點接地，以消除地電路經(jīng)過公共阻抗產(chǎn)生的干擾。并且內(nèi)部模塊的不同供電電源 VDDA、VDDH、VDDX 分別外接了退耦電容 C6、C12、C14，取值分別為 47 nF、1 μF、220 nF。

2.2 主控單元設(shè)計

主控單元即LIN通信的主節(jié)點選用飛思卡爾系列單片機MC9S12XS128MAL為主控芯片，該芯片是針對汽車電子市場的高速低耗16位單片機，具有豐富的片上資源，其中包括1個MSCAN模塊，2個支持LIN協(xié)議的的異步串行SCI接口，1個串行外設(shè)SPI接口［5］。因此僅需在該CPU的基礎(chǔ)上配置少量外圍電路即可實現(xiàn)LIN通信主節(jié)點的功能，不僅簡化了系統(tǒng)復(fù)雜度，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計的主控單元的接口電路如圖4所示。

圖4 主控單元接口電路

汽車內(nèi)部電源一般提供的電壓為12 V直流，而主控單元控制芯片的供電電壓為5 V直流，因此，系統(tǒng)采用LM2940穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5 V電壓。

其中MAX232芯片是專為RS232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，利用該芯片實現(xiàn)單片機與電腦串口之間的電平轉(zhuǎn)換。TJA1020為LIN收發(fā)器，是LIN主/從協(xié)議控制器和LIN物理總線之間的接口，控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)流通過 LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成 LIN總線信號，它的接口電路如圖5所示，主控單元MC9S12XS128中的SCI0模塊中的TXD0和RXD0分別連接到相應(yīng)的TJA1020的TXD和RXD端，收發(fā)器在LIN總線的輸入引腳檢測數(shù)據(jù)流并通過引腳RXD發(fā)送到主控單元，PM6用于TJA1020的使能和工作模式控制。

圖5 LIN總線接口電路

3 軟件設(shè)計

基于CodeWarrior V5.1軟件開發(fā)平臺，對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件分別進(jìn)行了開發(fā)。采用模塊化的軟件設(shè)計，將軟件分成相對獨立的微處理器初始化模塊、數(shù)據(jù)補償設(shè)置模塊和LIN總線通信模塊3個功能模塊，并為各模塊安排適當(dāng)?shù)娜肟诤统隹趨?shù)，使得模塊之間的相互連接和修改靈活方便。電流檢測單元和主控單元的軟件流程分別如圖6和圖7所示。

初始化模塊主要是根據(jù)需要設(shè)置MM912J637芯片相應(yīng)的測量功能，配置集成的MCU的各初始值。在此程序中設(shè)置鎖相環(huán)PLL頻率為65.636 MHz，總線頻率為32.768 MHz;同時芯片設(shè)置為自動增益控制，采樣頻率為4 kHz。

數(shù)據(jù)補償設(shè)置模塊是為了確保器件在較寬的溫度范圍均有較高的測量精度，MM912J637電流采集通道設(shè)有增益補償和偏移補償環(huán)節(jié)，補償值在廠家對器件最后測試時，存儲在閃存中的信息存儲區(qū)(IFR)中。在器件啟動時，各調(diào)整參數(shù)由軟件寫入到器件的相應(yīng)寄存器中。

LIN總線通信模塊包含主節(jié)點和從節(jié)點的軟件設(shè)計。在此模塊設(shè)計中先進(jìn)行SCI端口標(biāo)志位等參數(shù)的初始化。然后主節(jié)點負(fù)責(zé)向從節(jié)點依次發(fā)送間隔場、同步場和標(biāo)識符場，之后等待從節(jié)點響應(yīng)數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)后相應(yīng)地修改狀態(tài)標(biāo)志位并通過串口發(fā)送給上位機顯示;從節(jié)點負(fù)責(zé)發(fā)送幀的應(yīng)答，采用中斷的方式來接收LIN報文頭并響應(yīng)，MM912J637只要檢測到間隔場就會進(jìn)入中斷服務(wù)程序，因此將相應(yīng)控制程序放入中斷服務(wù)程序，根據(jù)接收到的幀ID判斷是否發(fā)送報文，即將檢測到的數(shù)據(jù)反饋到數(shù)據(jù)場中，發(fā)送給主節(jié)點。

4 實驗測試與分析

為了驗證電流監(jiān)測系統(tǒng)的性能，搭建了一個由動力電池和電子負(fù)載組成的電流放電測試平臺，系統(tǒng)的12 V供電則由直流穩(wěn)壓電源提供。其中動力電池采用的是單體鋰電池(標(biāo)稱容量為11 Ah)，采取的是4節(jié)單體并聯(lián)的連接方式;電子負(fù)載采用的是IT8812C可編程電子負(fù)載(120 V/60 A)，在定電流模式下能達(dá)到±0.05%的相對測量精度，可以作為測試時比對的標(biāo)準(zhǔn)電流。

4.1 測試結(jié)果的線性程度

利用搭建的電池放電平臺，測試了50 A內(nèi)的20組數(shù)據(jù)(室溫26℃)，測試結(jié)果如表1所示，測試結(jié)果的分辨率為1 mA，相對誤差均在1.5%以內(nèi)，在小電流的情況下，測試結(jié)果也保持了較高的精度。

表1 測試數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值對照表

圖8是測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)電流值的關(guān)系曲線，經(jīng)最小二乘法線性擬合后得到的擬合直線斜率為1.002，截距為11 mA，由此可看出系統(tǒng)在整個測量范圍內(nèi)都具有良好的線性度。

圖8 測試結(jié)果的線性度

4.2 測試結(jié)果的重復(fù)性

將系統(tǒng)分別在5 A、10 A、20 A的電流下進(jìn)行150次測量，來驗證測試結(jié)果的可重復(fù)性，圖9分別是5 A、10 A、20 A電流放電的測試的結(jié)果圖，在3種情況下的測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為18 mA、20 mA、20 mA，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差較小，具有較好的可重復(fù)性。

4.3 測量速率測試

圖10為監(jiān)測系統(tǒng)LIN通信的波形，從波形中可以看出一個完整的報文幀傳輸時間為7.5 ms左右，再加上檢測芯片的A/D采樣和處理周期(0.5 ms以內(nèi))，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣周期應(yīng)在8 ms左右。為了驗證系統(tǒng)測量的速率，利用電子負(fù)載構(gòu)造了一個尖峰電流，尖峰電流的上升和下降斜率都為1 A/ms，該電流在尖峰處有一個3 ms穩(wěn)定時間，脈沖電流分別設(shè)置為1～10 A、1～20 A、1～30 A，相應(yīng)的尖峰電流持續(xù)時間分別為21 ms、41 ms和61 ms，如表2所示，在這3種情況下分別測得了尖峰電流的3個，5個和8個數(shù)據(jù)，這也證明了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣周期接近8 ms，這樣的測量速率能夠滿足對于電動汽車突變電流的有效監(jiān)測。

圖9 5A、10 A、20 A 150次重復(fù)測量結(jié)果圖

圖10 LIN總線波形圖

表2 尖峰電流測試結(jié)果 A

5 結(jié)束語

設(shè)計了基于智能電池傳感器MM912J637和單片機MC9S12XS128，采用LIN通信的動力電池電流監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)測試表明該系統(tǒng)具有小于1.5%的相對誤差，接近8 ms的測量速率，較好的測試可重復(fù)性，能夠滿足對于電池相關(guān)數(shù)據(jù)采集的精度和實時性要求，同時也為進(jìn)一步的電池荷電狀態(tài)(SOC)的估計提供了硬件平臺及軟件接口基礎(chǔ)，具有良好的功能擴(kuò)展性。

［1］徐朝勝，閆改珍.以智能傳感器為核心的動力電池監(jiān)測終端設(shè)計.電源技術(shù)，2013，37(4):569 －571.

［2］楊潤宇.寬量程高精度電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究:［學(xué)位技術(shù)］.北京:北京交通大學(xué)，2012.

［3］朱文成.基于LIN總線的數(shù)據(jù)采集:［學(xué)位論文］.長春:吉林大學(xué)，2007.

［4］Freescale Semiconductor.Xtrinsic Battery Sensor with LIN for 12V Lead －acid Batteries.［2014 － 03］，http://www.freescale.com/webapp/

［5］Freescale Semiconductor.MC9S12XS128 Reference Manual.2008 －06 －18］，http://www.freescale.com/

［6］吳志勇，田佳平，李盤靖，等.電車蓄電池充放電參數(shù)實時檢測系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2013(9):55－57.