基于ATmega16的動(dòng)力電池組檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

，

(1.66325部隊(duì)，北京 102205；2.北京理工大學(xué))

引　言

電動(dòng)汽車的續(xù)航能力和動(dòng)力電池的使用壽命是用戶普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題。在研發(fā)新型產(chǎn)品的同時(shí)，業(yè)內(nèi)人士也在不斷探索延長(zhǎng)現(xiàn)有動(dòng)力電池使用壽命的有效方法。通過(guò)檢測(cè)電池組的工作溫度和每塊電池的端電壓，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障電池是普遍采取的方法。其中，如何避免百伏以上的高壓可能對(duì)檢測(cè)電路、其他系統(tǒng)及工作人員造成危害，這是檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)，也是正在逐步改進(jìn)的技術(shù)要素。本文針對(duì)這一關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的檢測(cè)電路，并結(jié)合當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)動(dòng)力電池多樣性的特點(diǎn)，在電路設(shè)計(jì)中融入模塊化理念，進(jìn)一步提高了檢測(cè)模塊的通用性。該檢測(cè)模塊在某工程樣車的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)中得到了實(shí)際應(yīng)用。

1　方案設(shè)計(jì)

1.1　檢測(cè)模塊的功能和指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確把握系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，然后根據(jù)具體的功能提出量化技術(shù)指標(biāo)，最后由控制要求決定系統(tǒng)軟硬件功能的劃分。本動(dòng)力電池組檢測(cè)模塊具有以下功能和技術(shù)指標(biāo)：

① 檢測(cè)電池組中每塊單體電池的端電壓，測(cè)量值精確到0.1 V；

② 檢測(cè)電池的工作溫度，測(cè)量值精確到0.1 ℃。

1.2　器件的選擇

選用ATmega16作為主控芯片，該芯片在16 MHz頻率下速度為16 MIPS，支持JTAG端口仿真和編程，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)更容易；內(nèi)置模擬量比較器，有8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器，支持單端和雙端差分信號(hào)輸入。這些功能可以滿足檢測(cè)模塊相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求，ADC轉(zhuǎn)換的參考電壓Vref選用芯片內(nèi)部提供的2.56 V，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

1.3　關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

1.3.1電池電壓檢測(cè)電路

集成運(yùn)放(Integrated Operational Amplifier)是一種高放大倍數(shù)、高輸入電阻、低輸出電阻的直接耦合放大電路，基于集成運(yùn)放的這些優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)單體電池端電壓檢測(cè)電路。

由于動(dòng)力電池組的結(jié)構(gòu)和單體電池的多樣性，在設(shè)計(jì)檢測(cè)模塊時(shí)應(yīng)著重考慮其通用性。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)模塊為5通道式，即一個(gè)檢測(cè)模塊可同時(shí)測(cè)量動(dòng)力電池組中相鄰5塊單體電池的端電壓值。單體電池的端電壓信號(hào)輸入到檢測(cè)模塊后，經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的電路轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠識(shí)別的電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)的SRAM區(qū)，等待讀取。

1.3.2電池溫度檢測(cè)電路

電池的工作溫度對(duì)電池容量有非常大的影響，且當(dāng)電池的工作溫度急劇升高時(shí)，其內(nèi)部壓力會(huì)增大，有可能對(duì)電池造成永久性損壞，所以必須檢測(cè)電池的工作溫度。

傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)大多使用熱敏電阻作為溫度敏感元件，主要優(yōu)點(diǎn)是成本低，但它需要后續(xù)信號(hào)處理電路，而且可靠性相對(duì)較差，準(zhǔn)確度和精度都較低。美國(guó)Dallas公司推出的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器能夠直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，溫度測(cè)量范圍從-55 ℃～+125 ℃。電池組溫度信號(hào)用該溫度傳感器測(cè)得，主控芯片ATmega16直接獲得數(shù)字信號(hào)并存儲(chǔ)，可用于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

2　設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1　硬件部分

2.1.1整體框圖

檢測(cè)模塊的整體結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)如圖1所示，其中通信接口為預(yù)留端口，在本檢測(cè)模塊中沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用。

圖1　模塊設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

2.1.2電池電壓檢測(cè)電路

動(dòng)力電池組中某一單體電池端電壓的測(cè)量電路，是基于集成運(yùn)放的特性設(shè)計(jì)的，如圖2所示。

圖2　單體電池端電壓檢測(cè)電路原理圖

根據(jù)彌爾曼定理可得：

因?yàn)殚_(kāi)環(huán)差模電壓放大倍數(shù)趨于無(wú)窮大，由集成運(yùn)放的輸出特性可知：u+=u-。即：

在上式中，若：

則有：

R2(u1-u2)=R1(uo1-uo2)

所以，流過(guò)R3的電流為：

由基爾霍夫電流定律可知，流過(guò)電阻RL的電流等于流過(guò)電阻R3和電阻R2的電流之和，因?yàn)榱鬟^(guò)電阻R2的電流很小，可以忽略，所以流過(guò)電阻RL的電流等于流過(guò)電阻R3的電流。因此，結(jié)合工程實(shí)際中輸入差模信號(hào)的大小(u1-u2)和對(duì)電路的功耗要求，就可以選定電阻R1、R2和R3的值，這樣就能計(jì)算出輸出電流I的大小，該電流在電阻RL上形成的電壓降便可作為單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)。其中，電阻RL的大小可根據(jù)電流I的大小和單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換電路中設(shè)定的參考電壓大小來(lái)確定。

由以上的電路原理分析可以看出，電阻R1、R2、R3和RL的精度將直接影響到單片機(jī)ADC轉(zhuǎn)換的精度，所以圖中的電阻均應(yīng)該選用精密電阻。

2.1.3電池溫度檢測(cè)電路

圖3　溫度采集原理圖

溫度傳感器DS18B20的接口電路簡(jiǎn)單，只有一根信號(hào)線與單片機(jī)連接,不需要外部元件。最可貴的是這種芯片在檢測(cè)點(diǎn)已把被測(cè)信號(hào)數(shù)字化了，因此在單總線上傳送的是數(shù)字信號(hào)，這使得模塊的抗干擾性好、可靠性高、傳輸距離遠(yuǎn)。其與單片機(jī)的連接如圖3所示。

2.2　軟件部分

軟件部分各功能的流程圖如圖4所示。檢測(cè)模塊的主控芯片是ATmega16，它內(nèi)置一個(gè)10位的逐次逼近(successive approximation)ADC,能夠?qū)σ訮ORTA作為輸入引腳的8路單端電壓輸入進(jìn)行采樣，本系統(tǒng)將串聯(lián)電池組中每5塊電池作為一個(gè)檢測(cè)單元，所以選用其中的5通道作為

輸入。在默認(rèn)情況下，ADC的逐次比較轉(zhuǎn)換電路需要一個(gè)50～200 kHz的采樣時(shí)鐘，因?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘CLK為8 MHz，所以需要64進(jìn)行分頻，這樣每個(gè)ADC周期為8 μs。

圖4　軟件部分功能框圖

一次常規(guī)的ADC轉(zhuǎn)換需要13個(gè)ADC時(shí)鐘周期，而通過(guò)置位ADCSRA寄存器的ADEN位，使ADC啟動(dòng)進(jìn)行第一次A/D轉(zhuǎn)換，因?yàn)橐跏蓟M電路，所以需要25個(gè)ADC采樣時(shí)鐘周期。在一次常規(guī)的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，需要1.5個(gè)ADC時(shí)鐘周期的采樣保持時(shí)間。而對(duì)于ADC由禁止?fàn)顟B(tài)啟動(dòng)后的首次A/D轉(zhuǎn)換，則需要13.5個(gè)ADC時(shí)鐘周期的采樣保持時(shí)間。所以，最長(zhǎng)的一次A/D轉(zhuǎn)換需要200 μs。當(dāng)一次A/D轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)果寫入ADC數(shù)據(jù)寄存器，可以通過(guò)讀操作將數(shù)據(jù)讀出到通用寄存器或存放到SRAM區(qū)。

為了提高數(shù)據(jù)采集精度，本系統(tǒng)中采取了多次采樣取平均值的方法，對(duì)同一通道的輸入信號(hào)連結(jié)采樣6次，去掉最大值和最小值后再將其它4個(gè)采樣值作算術(shù)平均，作為該通道輸入信號(hào)的最終采樣值，并將平均值存放在SRAM區(qū)的特定位置等待讀取。

DS18B20數(shù)字溫度傳感器對(duì)軟件設(shè)計(jì)時(shí)序方面的要求近乎苛刻，它對(duì)讀寫時(shí)序嚴(yán)格到1 μs。在對(duì)DS18B20的操作中，讀寫操作是最基本也是最重要的環(huán)節(jié)，只有正確使用讀寫時(shí)序，才能訪問(wèn)到它的存儲(chǔ)空間，讀出正確的溫度值。

需要注意的是，在DS18B20測(cè)溫程序設(shè)計(jì)中，向DS18B20發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號(hào)，如果DS18B20接觸不好或斷線，當(dāng)程序讀該傳感器時(shí)，將沒(méi)有返回信號(hào)，程序進(jìn)行入死循環(huán)。因此，在進(jìn)行DS18B20硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予一定的重視。本模塊用一個(gè)發(fā)光二極管作為該器件工作異常的指示信號(hào)，在軟件設(shè)計(jì)中編寫了針對(duì)這種情況的跳出程序。

部分關(guān)鍵匯編指令如下：

main:ldi r16,$bf;根據(jù)admux各位的意義其值應(yīng)為

；$C0,為循環(huán)遞增ADC通道作準(zhǔn)備

ldi r17,$c7

ldi r21,$00

out sfior,r21;關(guān)閉ADC高速轉(zhuǎn)換模式

next:inc r16;ADC通道循環(huán)遞增，內(nèi)部參考電壓，

；轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)右對(duì)齊

out admux,r16

ldir18,$8e

out$06,r18;64分頻，單次轉(zhuǎn)換模式

sbi$06,adsc;轉(zhuǎn)換開(kāi)始

loop:sbis$06,adif

rjmploop

inr14,adcl;將寄存器adcl的值讀入r14

inr15,adch;將寄存器adch的值讀入r15

cbi$06,adif

ldir19,$c0

cpser19,r16

rjmpmid_chls

rcallled_1

rcalldelay1

outportb,r14

rcalldelay1

sts$0060,r14

sts$0061,r15

rcallUSART_L

cli ;關(guān)中斷

write1820: clc;進(jìn)位標(biāo)志C清零

ldir16,$8

movr1,r16

next_bit:sbiddrd,pd7

sbiportd,pd7;給18B20開(kāi)始信號(hào)

nop

cbiportd,pd7

rorr6

brccwrite_0

rcalldelay12

sbiportd,pd7

rcalldelay60

rjmpwrt_nxt

write_0:rcalldelay60

wrt_nxt:cbiddrd,pd7

rcalldelay16

decr1

brnenext_bit;非零跳轉(zhuǎn)

ret

3　產(chǎn)品測(cè)試

3.1　產(chǎn)品測(cè)試方案

用5路串聯(lián)穩(wěn)壓電源代替5塊串聯(lián)的單體電池，將穩(wěn)壓電源的輸出電壓設(shè)為不同的值(如：9.62 V、9.89 V、10.25 V、10.44 V、12.72 V)并保持恒定，將這5路電壓值輸入到單體電池檢測(cè)模塊中，由主控程序反復(fù)訪問(wèn)該模塊5次，并記錄采集到的數(shù)據(jù)。

因?yàn)闇囟刃盘?hào)的特性是一樣的，所以產(chǎn)品測(cè)試中對(duì)環(huán)境溫度的采集可等效于對(duì)電池組工作溫度的采集。與測(cè)量單體電池端電壓同步作5次測(cè)試，記錄相應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。

3.2　產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果

分析表1中單體電池端電壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該檢測(cè)模塊對(duì)恒定的5路電壓連續(xù)5次采樣的結(jié)果是穩(wěn)定的，最大偏差為0.05 V，能夠滿足0.1 V的設(shè)計(jì)要求。檢測(cè)模塊中單片機(jī)RAM區(qū)的數(shù)值波動(dòng)也很小，其幅值小于3，這說(shuō)明該模塊中ATmega16單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓比較穩(wěn)定。

溫度測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所列。可以看出，溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度連續(xù)5次采樣的數(shù)值波動(dòng)很小，最大偏差為0.08 ℃，能夠滿足0.1 ℃的設(shè)計(jì)要求。

表1　單體電池端電壓測(cè)試值

表2　溫度測(cè)試值

結(jié)　語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力電池組檢測(cè)模塊，采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)，既有效避免了百伏以上的高壓可能對(duì)檢測(cè)電路、其他系統(tǒng)及工作人員造成危害，又能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電池組中每塊單體電池的端電壓值以及電池組的工作溫度，可為電動(dòng)汽車的其它工程應(yīng)用提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。從臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，檢測(cè)模塊對(duì)單體電池端電壓的測(cè)量精度達(dá)到了0.1 V，電池組工作溫度測(cè)量精度達(dá)到了0.1 ℃?？刂菩酒捎玫凸?，抗干擾強(qiáng)的ATmega16芯片，利用內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換和定時(shí)計(jì)數(shù)器功能，各通道均表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性，這說(shuō)明該模塊的電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)是可行有效的,檢測(cè)模塊實(shí)物如圖5所示。

圖5　檢測(cè)模塊局部圖