基于DS2438的車載電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭克友，郭曉麗，王藝偉

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048)

基于DS2438的車載電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭克友，郭曉麗，王藝偉

(北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048)

針對(duì)電動(dòng)汽車的自身特點(diǎn)，利用DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件DS2438，開(kāi)發(fā)以Freescale公司的16位單片機(jī)MC9S12XS128為核心的電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛行駛過(guò)程中動(dòng)力鉛酸蓄電池的電壓、電流、溫度等主要參數(shù)進(jìn)行不間斷采樣。利用單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞，主控制芯片制定最佳的電池充電方案，對(duì)電池進(jìn)行能量補(bǔ)充和充分利用，為整車能源管理的研究奠定基礎(chǔ)。單總線器件的好處是：一條通信線路上可掛載多個(gè)器件，可對(duì)一組電池的多節(jié)電池分別進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)降低了硬件的復(fù)雜程度，具有成本低、易安裝維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)提高了電池組的可靠性，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命。

鉛酸蓄電池；剩余電量；DS2438；單總線；MC9S12XS128

1996年，第1代現(xiàn)代電動(dòng)汽車EV由美國(guó)通用汽車公司制造，它采用的是鉛酸電池技術(shù)[1]。而今隨著金融危機(jī)、國(guó)際油價(jià)的高位震蕩和節(jié)能減排等產(chǎn)生巨大的外部壓力，全球汽車產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入能源轉(zhuǎn)型時(shí)期。世界各國(guó)對(duì)發(fā)展電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)交通能源轉(zhuǎn)型這樣的技術(shù)路線達(dá)成了高度共識(shí)，電動(dòng)汽車電池產(chǎn)業(yè)同樣進(jìn)入了加速發(fā)展的新階段。鉛酸電池作為電動(dòng)汽車的能量來(lái)源是未來(lái)研究重點(diǎn)[2－3]。對(duì)12 V鉛酸蓄電池的能量管理進(jìn)行研究。針對(duì)汽車自身的特點(diǎn)，建立的電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)能夠?qū)︺U酸蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和高效利用，有益于今后對(duì)電動(dòng)汽車能量進(jìn)行深入研究。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的電池能量管理系統(tǒng)共分為三大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)顯示報(bào)警模塊。其中數(shù)據(jù)采集模塊是利用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件DS2438，單總線(1-w ire)是Maxim全資子公司Dallas的一項(xiàng)專有技術(shù)。與目前多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)據(jù)通信方式如SPI/I2C/M ICROWIRE不同，它采用單根信號(hào)線，既傳輸時(shí)鐘又傳輸數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)雙向傳輸。它具有節(jié)省I/O口資源、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。數(shù)據(jù)采集模塊是以MC9S12XS128為主控芯片，該芯片是Freescale公司的16位單片機(jī)，具有16位中央處理單元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8KBRAM、8KB數(shù)據(jù)Flash(D-lash)等豐富資源[5]。

車載鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在數(shù)據(jù)采集模塊中，本文選擇美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的信號(hào)采集芯片DS2438進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。DS2438可用于標(biāo)識(shí)電池組的唯一序列號(hào)；DS2438內(nèi)置數(shù)字化的溫度傳感器，用于測(cè)量電池組內(nèi)溫度信號(hào)的熱敏電阻；可測(cè)量電池電壓和電流的A/D轉(zhuǎn)換器；集成電流累積器用于記錄進(jìn)入和流出電池的電流總量；一個(gè)經(jīng)歷時(shí)間紀(jì)錄器；及40Byte的非易失E2PROM存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)重要的電池參數(shù)，例如電池容量、充電方式等[6]。其實(shí)物和管腳分配如圖2所示。

圖1 電動(dòng)汽車車載鉛酸蓄電池管理系統(tǒng)

圖2 實(shí)物和管腳分配圖

在硬件電路設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行的是采集電路的設(shè)計(jì)，DS2438的檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3 DS2438的檢測(cè)電路

其中DS2438第5管腳即單總線數(shù)據(jù)接口，在實(shí)際使用中，使用一個(gè)5Ω的上拉電阻與VCC對(duì)接后，再與MC9S12XS128的PORTA的PA7管腳進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的主控芯片，從功能性、經(jīng)濟(jì)性及易用性等多方面進(jìn)行考慮，選擇了飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位MC9S12-XS128單片機(jī)，它負(fù)責(zé)對(duì)DS2438芯片所采集到的信號(hào)進(jìn)行處理并向各個(gè)功能模塊發(fā)送控制信號(hào)。MC9S12XS128單片機(jī)最高總線頻率可達(dá)40MHz，片內(nèi)資源包括8 K RAM、8 K EEPROM和128 K Flash，擁有4路8位或2路16位脈寬調(diào)制模塊(PWM)、2個(gè)8路10位A/D轉(zhuǎn)換器和帶有16位計(jì)數(shù)器的8通道定時(shí)器、UART、PIT、I2C、FTM等外部接口模塊[5]，處理功能及片內(nèi)資源符合本文的需求。

2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到駕駛員觀察的方便性，本文選用TFT彩屏進(jìn)行圖形化顯示，利用形象的比例特性，來(lái)提醒駕駛員電池組的剩余電量。

其中本文所用TFT彩屏的顯示效果如圖4所示。

圖4 TFT彩屏的顯示效果

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文的軟件設(shè)計(jì)主要分為三個(gè)部分：MC9S12XS128對(duì)DS2438芯片的控制指令模塊、DS2438的采集信息回收計(jì)算模塊及TFT彩屏的顯示控制模塊。電池的電壓、電流及此時(shí)的電池的溫度都是相關(guān)量，要同時(shí)不間斷采集，才能更精確地計(jì)算出此時(shí)電池的剩余電量。在DS2438中ICA是一個(gè)按比例的8位易失二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，比例電阻RSENS(本文電池組用0.025Ω的檢測(cè)電阻)累計(jì)了兩端的電流[7]。如果狀態(tài)/配置寄存器IAD位置高電平則ICA遞增，反之遞減。表1為ICA的內(nèi)容。

剩余的電池容量RCA通過(guò)用式(1)計(jì)算得出：

軟件主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.1 DS2438采集信息程序

信息采集模塊的工作主要圍繞DS2438展開(kāi)。在單總線上所有的事務(wù)均以初始化序列開(kāi)始。初始化時(shí)序由主機(jī)發(fā)送的一個(gè)復(fù)位脈沖及從機(jī)發(fā)送的應(yīng)答脈沖兩部分組成。應(yīng)答脈沖通知主機(jī)DS2438在總線上并已做好準(zhǔn)備。一旦主機(jī)監(jiān)測(cè)到應(yīng)答脈沖，則發(fā)送長(zhǎng)度為8位的ROM命令控制從機(jī)做好準(zhǔn)備工作。一個(gè)復(fù)位脈沖后面跟隨一個(gè)應(yīng)答脈沖表明DS2438已經(jīng)準(zhǔn)備好，可發(fā)送或接受ROM命令。總線主設(shè)備隨后釋放總線，進(jìn)入接受模式(Rx)，在檢測(cè)到I/O端口的上升沿并持續(xù)15～60m s之后，發(fā)送一個(gè)應(yīng)答脈沖給主機(jī)，從而完成初始化時(shí)間槽工作。通過(guò)時(shí)間槽，可從DS2438讀取或向DS2438寫(xiě)入數(shù)據(jù)[8－11]。讀取電壓、電流和溫度的時(shí)序指令較為相似，本文以讀取電壓參數(shù)為例進(jìn)行描述，其程序流程如圖6所示。

圖6 讀取電壓參數(shù)程序流程圖

對(duì)單總線進(jìn)行寫(xiě)和讀時(shí)間槽的時(shí)序不同。其中寫(xiě)時(shí)間槽的方式有兩種，即寫(xiě)0時(shí)間槽和寫(xiě)1時(shí)間槽。若為主設(shè)備產(chǎn)生一個(gè)寫(xiě)1時(shí)間槽，則數(shù)據(jù)線必須被拉成低電平，然后釋放數(shù)據(jù)總線，在寫(xiě)時(shí)間槽開(kāi)始15m s內(nèi)，允許數(shù)據(jù)總線拉成高電平。而在讀時(shí)間槽時(shí)主設(shè)備I/O端口必須保持在非低電平狀態(tài)，在初始化讀時(shí)間槽后15m s之內(nèi)讀取它的狀態(tài)值。在讀時(shí)間槽的末端，I/O端口通過(guò)上拉電阻自動(dòng)置為高電平。所有的寫(xiě)時(shí)間槽操作必須持續(xù)至少60m s，在寫(xiě)時(shí)間槽的過(guò)程中，必須使單總線具有至少1m s的復(fù)位時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中可以檢測(cè)到處于通訊狀態(tài)的DS2438上單總線DQ引腳的波形圖，如圖7所示為檢測(cè)鉛酸蓄電池端電壓為8 V時(shí)的波形圖。

圖7 DS2438單總線通訊狀態(tài)波形圖

3.2 數(shù)據(jù)顯示控制程序

TFT液晶顯示屏為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素都可通過(guò)點(diǎn)脈沖直接控制，因而每個(gè)節(jié)點(diǎn)都相對(duì)獨(dú)立，并可以連續(xù)控制，不僅提高了顯示屏的反應(yīng)速度，同時(shí)可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶顯示屏的色彩顯得更加真實(shí)。TFT液晶顯示屏的特點(diǎn)是亮度好、對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷。

從單總線采集到的數(shù)據(jù)存放在DS2438的13位專用寄存器之中，故最初獲得的是一組長(zhǎng)度為13位的二進(jìn)制補(bǔ)碼格式的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以要按照DS2438數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[12]。在本系統(tǒng)的顯示設(shè)置時(shí)，只顯示了電池當(dāng)前的電壓、溫度及剩余電量的百分比。根據(jù)鉛酸蓄電池放電的經(jīng)典曲線，在剩余電量達(dá)到電池的總電量的15%時(shí)，電池幾乎失去對(duì)外滿額電壓的供電能力，故此時(shí)進(jìn)行蜂鳴器的報(bào)警提醒。待蜂鳴器報(bào)警進(jìn)行2m in后進(jìn)行自動(dòng)切斷對(duì)外供電。

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了基于DS2438電池能量管理芯片的電動(dòng)汽車車載電池管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)完成一套數(shù)據(jù)采集和顯示設(shè)備。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的電池能量管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)12 V鉛酸蓄電池的放電電流、電壓、本身溫度等模擬量參數(shù)的實(shí)時(shí)采集，進(jìn)而對(duì)電池的剩余電量和電池荷電狀態(tài)進(jìn)行估算，利用液晶顯示板實(shí)時(shí)顯示電池的剩余電量，能夠在電池剩余電量少于15%的情況下進(jìn)行自動(dòng)故障報(bào)警。該系統(tǒng)可以大大提高電動(dòng)汽車的車載電池能量監(jiān)控效果，方便用戶進(jìn)行合理預(yù)計(jì)剩余電量，合理選擇運(yùn)行時(shí)間。

[1]肖秀玲.基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的輕型電動(dòng)車電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[C]//中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)2002：中國(guó)電動(dòng)汽車研究與開(kāi)發(fā)，深圳：中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)，2002：6.

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Batterymanagementsystem of carsbased on DS2438

GUO Ke-you，GUO Xiao-li，WANG Yi-wei
(School ofMaterialand Mechanical Engineering，Beijing Technology and BusinessUniversity，Beijing 100048，China)

Aimed at the characteristics of electric vehicles，an electric vehicle battery management system was developed by using a single bus device DS2438 of DALLAS and MC9S12XS128 of Freescale 16-bit MCU.The continuous sam pling of the main parameters such as voltage，current and tem perature during driving was imp lemented.By using the single bus，the data information was transm itted to themain controlchip.The bestbattery charging solutions were proposed tomake fulluse ofbattery energy.The two points above lay the foundation for the research of vehicle energymanagement.The benefits of single bus devices are as follows.Multiple devices can be mounted on the road;the telecommunication lines can be more of a set of batteries monitoring;it reduces the com plexity of the hardware and has the advantages of low cost，easy installation and maintenance.The system improves the reliability of the battery and prolongs the service life of the battery.

lead-acid batteries;remaining power;DS2438;single bus;MC9S12XS128

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1416-03

2015-12-06

北京市屬高等學(xué)校人才強(qiáng)教計(jì)劃資助項(xiàng)目(PHR20110876)

郭克友(1975-)，男，黑龍江省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榘踩o助駕駛。