基于無線通信和傳感器的動(dòng)力電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

佘世剛,2，胡月娥，趙 宇，袁崢崢，朱明亮

(1.常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州大學(xué) 江蘇省自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著自然環(huán)境的惡化，傳統(tǒng)燃油汽車污染較大，新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生，有“清潔能源”之稱的鋰電池作為新能源汽車動(dòng)力電池的主要?jiǎng)恿碓粗?，因其污染小、能量密度大等?yōu)點(diǎn)而得到廣泛運(yùn)用。動(dòng)力電池一般由多個(gè)單節(jié)電池串聯(lián)形成電池組，但當(dāng)前制造工藝、使用環(huán)境不能完全保證每節(jié)單體電池各項(xiàng)性能完全一致，由此導(dǎo)致電池組在充放電時(shí)會(huì)發(fā)生過充過放、局部過熱等現(xiàn)象，這些因素會(huì)影響電池性能，溫度過高導(dǎo)致電池內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象，溫度過低，電池內(nèi)部化學(xué)成分活性降低，均會(huì)致使電池組自身內(nèi)阻增加，減小容電量，加快電池報(bào)廢速度，使電池使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論額定值。理論上動(dòng)力電池在正常工作環(huán)境下使用壽命可長達(dá)20年[1]，但使用環(huán)境不能滿足理論條件，因此電池工作狀態(tài)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。據(jù)以上闡述的問題，本文設(shè)計(jì)一個(gè)安全可靠、實(shí)用性好、精度高、成本低的動(dòng)力電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[3-4]，此系統(tǒng)基于無線傳輸技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和界面顯示進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池的溫度、電壓、電流等重要參數(shù)，極大程度上保障動(dòng)力電池的使用安全以及存放安全。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

本文主要研究用于電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組，此類電池組電荷容量、質(zhì)量以及體積都較大，不太方便試驗(yàn)[5]，因此采用12節(jié)標(biāo)稱電壓為3.7 V，容量為2.5 Ah的鋰電池串聯(lián)成電池組進(jìn)行充放電試驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用“分而治之”法，即將整體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為若干模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊。同時(shí)采用無線傳輸方式解決硬件布局和安裝空間受限的問題。該系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組溫度、電壓、電流等狀態(tài)參數(shù)任務(wù)的同時(shí)，基于監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行在線故障診斷，警報(bào)系統(tǒng)設(shè)置溫度、電壓、電流、電荷量安全閾值，一旦出現(xiàn)故障，如電池溫度過高、電流超出設(shè)定的額定閾值能夠做出警報(bào)處理指令。該系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于無線傳輸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，在感知層將具有數(shù)據(jù)采集功能及控制功能的傳感器和單片機(jī)設(shè)置于前端數(shù)據(jù)采集模塊；在網(wǎng)絡(luò)層將負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線收發(fā)作為傳輸模塊；在應(yīng)用層將涉及服務(wù)器端的通信軟件、管理軟件和數(shù)據(jù)庫置于顯示模塊，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示、控制以及警報(bào)功能；此外采集和傳輸模塊外設(shè)供電的電源模塊。此系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框架圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

闡具體監(jiān)測(cè)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，數(shù)據(jù)采集模塊根據(jù)采集不同參數(shù)選用相對(duì)應(yīng)的傳感器芯片[6]，監(jiān)測(cè)電壓信號(hào)選用串聯(lián)電池組管理芯片—LTC6802-2芯片，該傳感芯片能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)串聯(lián)電池組的電壓檢測(cè)(單體電池和電池組整體可同時(shí)進(jìn)行)，其自身攜有的過充、過放電保護(hù)電路適用于研究試驗(yàn)中的串聯(lián)電池組模塊。監(jiān)測(cè)電池組充放電時(shí)溫度選用單總線數(shù)字溫度傳感器—DS18B20，該傳感器測(cè)量精度高、溫度范圍大，當(dāng)采用單總線控制多個(gè)傳感器時(shí)只需一個(gè)端口便可完成通信任務(wù)。監(jiān)測(cè)電流選用JLK-8霍爾傳感器，該傳感器選用150A量程，線性度在0.5%,其工作溫度范圍在-20～80 ℃?？刂茊卧捎肧TC12C5A62S2單片機(jī)，該單片機(jī)高行速度快且功耗低；其工作電壓在3.5～5 V，有44個(gè)通用I/O管腳，2個(gè)UART串口，62字節(jié)的FIASH程序存儲(chǔ)器，其內(nèi)部集有MAX810專用復(fù)位電路，可將各傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸入到單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，進(jìn)行集中處理，之后通過傳輸模塊傳輸?shù)斤@示端。無線收發(fā)模塊采用CC1110無線射頻通信模塊，此通信模塊支持RS-232、CAN通訊接口，方便與顯示模塊連接。本文電源模塊采用12 V電源模擬車載環(huán)境中的電源電壓，但是監(jiān)測(cè)芯片中大部分工作電壓為5 V，因此本文采用MC34063芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，方便為其他模塊供電使用。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 電壓采集及均衡電路設(shè)計(jì)

電壓采集電路設(shè)計(jì)如圖3所示，監(jiān)測(cè)電壓芯片采用LTC6802-2，支持多片串聯(lián)使用同時(shí)可監(jiān)測(cè)12節(jié)串聯(lián)單體電池[7]，且為每塊單體電池采集電路配備12位AD轉(zhuǎn)換器。LTC6802-2具有高電壓輸入多路轉(zhuǎn)換器和SPI串行接口，采集到的數(shù)據(jù)可通過其自身與SPI兼容的串行接口傳輸至STC12C5A62S2控制單元。電路中設(shè)置濾波和均衡電路[8]，電池均衡電路一般分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡，但主動(dòng)均衡技術(shù)目前技術(shù)未能達(dá)到理想要求，因此本文均衡電路中采用被動(dòng)均衡。設(shè)置均衡電路在每個(gè)電壓采集輸入引腳并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管，其作用是防止輸入端電壓高出最大值而對(duì)電路和測(cè)壓芯片造成破壞。在每節(jié)電池電壓采集引腳上設(shè)置開關(guān)管Q，與柵極相連的Sn引腳控制開關(guān)管Q導(dǎo)通與關(guān)斷，放電電阻選用功率電阻與開關(guān)管Q漏級(jí)相連后并聯(lián)在電池兩端，配有發(fā)光二極管D作為指示燈。當(dāng)MOSFET開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，其源極與柵極兩端所承受的電壓為電池電壓，為防止電壓過高損壞電路并聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓管作為保護(hù)；為減小高壓電頻產(chǎn)生的干擾在電路中加上RC低通濾波電路。因?yàn)殡妷翰杉酒c單片機(jī)之間通過SPI方式通訊，為保證數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確傳輸，在SPI總線接口處連接ADUM2401數(shù)字隔離器，減小電頻信號(hào)防止傳送過程的干擾。

圖3 電壓采集及均衡電路

2.3 溫度采集及電流采集電路設(shè)計(jì)

溫度參數(shù)是監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池狀態(tài)重要參數(shù)之一，電池組充放電時(shí)，由于電池內(nèi)阻導(dǎo)致電池產(chǎn)生熱量，引起電池溫度升高，若不設(shè)置散熱裝置致使溫度過高時(shí)，電池會(huì)出現(xiàn)脹包現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生爆炸，影響人身安全；當(dāng)溫度過低時(shí)，電池內(nèi)部成分活性降低致內(nèi)阻增加，電池內(nèi)阻過大直接導(dǎo)致電池組充放電效率降低。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池溫度很有必要，本文采用DS18B20溫度傳感器[6]，DS18B20溫度傳感器測(cè)量范圍在-55～125 ℃，測(cè)溫分辨率可達(dá)±0.5 ℃，滿足使用需求。由于其獨(dú)特的單線接口技術(shù)操作簡(jiǎn)單方便，僅需一個(gè)接口便可與單片機(jī)進(jìn)行雙向通信，簡(jiǎn)化電路搭建，價(jià)格低，便捷試驗(yàn)驗(yàn)證。

現(xiàn)有測(cè)量動(dòng)力電池組電流的主流技術(shù)有霍爾感應(yīng)式和分流器式。兩種技術(shù)優(yōu)劣點(diǎn)分明，采用分流器的能耗較霍爾式技術(shù)而言要高得多；且本身極易產(chǎn)生靜態(tài)放電現(xiàn)象，但由于其成本低，在一些精度要求度不高的場(chǎng)所會(huì)使用它?；魻杺鞲衅魇腔凇盎魻栃?yīng)”制作的傳感器，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)特性好以及使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)在電能參數(shù)、電場(chǎng)感應(yīng)等測(cè)量中廣泛應(yīng)用。本文電流采集選用JLK-8霍爾電流傳感器[4]，電流采集與信號(hào)調(diào)理如圖4所示：二極管由D1、D2串聯(lián)連接，組成限幅電路，起到保證電壓輸出作用。JIK-8傳感器連接一個(gè)電阻R1可將信號(hào)轉(zhuǎn)換成雙極性電壓信號(hào)，再經(jīng)由雙運(yùn)算放大器LM358中的前一個(gè)放大器將雙極性電壓信號(hào)放大；R2、R3、R5和電壓基準(zhǔn)芯片LM336組成電平偏移放大電路，將雙極性電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單極性電壓信號(hào)，經(jīng)過下一個(gè)運(yùn)算放大器LM358放大，而后傳入到單片機(jī)輸入端進(jìn)行控制處理。

圖4 電流采集及信號(hào)調(diào)理電路電路圖

2.4 無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

采用TI公司的CC1110無線射頻芯片作為無線傳輸模塊，CC1110無線射頻具有傳輸距離遠(yuǎn)、運(yùn)行速度快、靈敏度高、功耗低、連接簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。其與PC顯示端僅需USB接口便可完成連接。CC1110由CC1100RF收發(fā)機(jī)和高性能低功耗控制器8051控制核心組成，內(nèi)部集成32 KB閃存、4 KBSRam、全速USB控制器、最多8路輸出的8～14位adc,帶有強(qiáng)大的dma和數(shù)據(jù)保密功能(AES安全處理器)。如圖5所示，本文設(shè)計(jì)無線模塊工作頻率設(shè)置471 MHz,通信波特率設(shè)置9 600 bps，兩個(gè)差分引腳RF-N、RF-P上放置LC電路，LC電路主要負(fù)責(zé)無線收發(fā)模塊與天線連接，同時(shí)起到濾波作用減小高頻電壓產(chǎn)生的干擾電頻；但信號(hào)中依舊存在負(fù)面干擾電平，因此信號(hào)傳出隨后經(jīng)過176-96濾波、調(diào)制、放大等相關(guān)處理成數(shù)字信號(hào)，傳到RX-EN引腳，經(jīng)過天線將信號(hào)進(jìn)行收發(fā)工作。

圖5 無線通信模塊框

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

完整可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須集硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)于一體，二者協(xié)調(diào)工作才能完成監(jiān)測(cè)工作。本章節(jié)主要介紹系統(tǒng)軟件部分包括前端數(shù)據(jù)采集、控制模塊和人機(jī)交互顯示模塊軟件設(shè)計(jì)，控制模塊采用C語言對(duì)其進(jìn)行編程，顯示模塊采用MATLAB進(jìn)行設(shè)計(jì)[10-11]。

3.1 控制單元軟件設(shè)計(jì)和編程方法

系統(tǒng)上電后先進(jìn)行自檢度電池狀態(tài)，設(shè)置電池組額定閾值，采集到的數(shù)據(jù)放入寄存器，同時(shí)進(jìn)行閾值對(duì)比處理判定電池狀態(tài)，進(jìn)而做出打開或斷開充放電支路步驟，若數(shù)值在設(shè)定閾值范圍內(nèi)則發(fā)出正常信號(hào)指示，進(jìn)入下一步驟—保護(hù)板狀態(tài)判定，是進(jìn)入充電邏輯還是放電邏輯，當(dāng)無邏輯運(yùn)作時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)節(jié)約功耗；當(dāng)系統(tǒng)判定數(shù)據(jù)不在閾值范圍內(nèi)時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，且警報(bào)指示燈亮，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保護(hù)板會(huì)做出自鎖工作，保護(hù)電池組。系統(tǒng)主流程圖如圖6所示。

數(shù)據(jù)采集和控制模塊源碼設(shè)計(jì)這里只介紹部分功能和參數(shù)設(shè)置。主要包括對(duì)采集芯片進(jìn)行初始化、設(shè)置電池電壓、電流、溫度數(shù)據(jù)采集，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)單片機(jī)設(shè)置過壓保護(hù)模塊[12]，當(dāng)測(cè)值大于或小于設(shè)定電壓值時(shí)做出警報(bào)處理。

圖6 系統(tǒng)主流程圖

3.1.1 初始化設(shè)置

fuction: void BQ_1_config(void)

description:ltc6802-2初始化

Parameters: None

//0x04寄存器0x19對(duì)應(yīng)SCD延時(shí)70 uS，放電短路電壓33 mV；

//0x05寄存器設(shè)置檢測(cè)電流為1-shot模式；

//0x06寄存器0x39對(duì)應(yīng)OCD的延時(shí)時(shí)間80 ms，放電過流電壓33 mV；短路和過流對(duì)應(yīng)電流都是60 A.

3.1.2 電壓、電流溫度數(shù)據(jù)采集

void Update_val(void)

{

printf(" ")；

printf("第一節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[0])；

delay_ms(50)；

printf("第二節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[1])；

delay_ms(50)；

printf("第三節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[2])；

delay_ms(50)；

printf("第四節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[3])；

delay_ms(50)；

printf("第五節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[4])；delay_ms(50)；

printf("第六節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[5])；

delay_ms(50)；

printf("第七節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[6])；

delay_ms(50)；

printf("第八節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[7])；

delay_ms(50)；

printf("第九節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[8])；

delay_ms(50)；

printf("第十節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[9])；

delay_ms(50)；

printf("第十一節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[10])；delay_ms(50)；

printf("第十二節(jié)電池電壓為:%dmV ", Batteryval[11])；

delay_ms(50)；

printf("電池總電壓為:%dmV ", Batteryval[12])；

delay_ms(50)；

printf("電池SOC為:%d%% ", Batteryval[13])；

delay_ms(50)；

printf("電池溫度為:%.2f ℃ ", Tempval_2)；

delay_ms(50)；

printf("當(dāng)前電流為:%dmA ", Batteryval[14])；

}

3.1.3 警報(bào)模塊

fuction:void readbqstate(void)

description:讀取報(bào)警信號(hào)值

Parameters: UV_Alarm_flag?OV_Alarm_flag

SCD_Alarm_flag,OCD_Alarm_flag

Int

UV_Alarm_flag,OV_Alarm_flag,SCD_Alarm_flag,OCD_Alarm_flag；

void ALERT_1_Recognition(void)

{

Unsigned char sys_stat_1,sys_stat_2,UV_1,OV_1,UV_2,OV_2,SCD,OCD；

sys_stat_1 = IIC1_read_one_byte(SYS_STAT)；//獲取狀態(tài)

UV_1 = sys_stat_1&0x08； //取出UV位

OV_1 = sys_stat_1&0x04；

SCD = sys_stat_1&0x02；

OCD = sys_stat_1&0x01；

if((UV_1 == 0x08)||(UV_2 == 0x08))

{

UV_Alarm_flag = 1； //欠壓報(bào)警

printf("pack UV ")；

}

else

UV_Alarm_flag = 0; //沒有欠壓

if((OV_1 == 0x04)||(OV_2 == 0x04))

{

OV_Alarm_flag = 1;

printf("pack OV ");

}

3.2 顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

顯示界面分為數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)管理模塊和警報(bào)模塊若干子模塊[13]。部分顯示界面如圖7所示，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示模塊即顯示單體和整體電池的電壓、電流、溫度；數(shù)據(jù)處理模塊可根據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均值、最大小值等處理，讓用戶掌握電池實(shí)時(shí)狀態(tài)。系統(tǒng)管理模塊設(shè)置系統(tǒng)監(jiān)測(cè)開關(guān)、設(shè)置單體電池?cái)?shù)據(jù)增加、刪除、保存、查詢、備份等功能，警報(bào)模塊通過對(duì)比實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和設(shè)置的理論安全數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是否在安全區(qū)間，不足或超出安全區(qū)間都及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

圖7 顯示界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建上述電路硬件圖，經(jīng)調(diào)試成功進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量電池組狀態(tài)，驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可行性。本文選取電池組充滿電發(fā)出警報(bào)時(shí)數(shù)據(jù)，采用開路法測(cè)量[14]由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和萬能表測(cè)量每節(jié)電池電壓做出對(duì)比，結(jié)果如表1所示，驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量精度高達(dá)0.2%。

表1 單體電池電壓測(cè)量值

5 結(jié)束語

隨著電動(dòng)汽車使用量日益增加，其核心部件—?jiǎng)恿﹄姵氐陌踩\(yùn)作要求也隨之提高。針對(duì)此要求本文設(shè)計(jì)基于無線傳輸?shù)膭?dòng)力電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用3種傳感器作為數(shù)據(jù)采集端，上位機(jī)作為數(shù)據(jù)顯示端，單片機(jī)作為控制器端搭建動(dòng)力電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該系統(tǒng)可準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池工況，且誤差精度到達(dá)0.2%，相較于傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)極大提高了監(jiān)測(cè)精度。本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電路搭建方便，有效解決了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)組裝復(fù)雜、操作困難等問

題，且設(shè)計(jì)過程中充分考慮實(shí)踐過程中可能遇到的問題，對(duì)此進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，從根本上保證本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可實(shí)用性。