动力电池模块数据采集系统的研究

韩冠南 王建锋 王鹏飞 马娇

摘 要：電动汽车的动力电池模块由许多单体电池串联或并联而成的，研究电池性能的一个重要前提是动力电池模块的数据采集。为了更好的进行SOC估算、保证动力电池正常的工作运行，从BMS的需要出发，设计了一种电动汽车动力电池的数据采集系统，可实现对磷酸铁锂电池组的单体电压、总电压、电流和温度高速实时的采集，实现均衡，并将监测得到的信息通过CAN总线传输给整车控制器。结果表明该方案可实行，且具有较高的精度。

关键词：动力电池模块；数据采集系统；CAN通讯

中图分类号：TB 文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672.3198.2018.32.108

1 引言

能源枯竭、环境污染等问题的出现使得无污染、易于操纵、噪市低的电动汽车越来越受到人们的关注与重视。但因动力电池充电麻烦、保养成本高和续航里程短等问题，使动力电池发展到如今仍没有一款达到生物燃料电池的水平。电动汽车动力电池技术的落后是电动汽车都未能普及的主要原因之一，尤其是电池管理系统技术。电池管理系统的功能包括电池物理参数实时监测； 电池状态估计； 在线诊断与预警；充、放电与预充控制； 均衡管理和热管理等。其中，数据采集系统能否实时、精确的采集信号是整个BMS的基础，故极为重要。同时也取得了相应的成果。PEVE公司的MH/Ni动力电池许多学者对此进行了大量的研究，组数据采集是温度采集是利用热敏电阻，电压采集通过控制开关逐个选取不同电池组来进行，电流采集则是通过霍尔传感器进行采集，此系统虽可以扩展电池的数量，却无法保证数据采集的速度、实时性和精度； 杨润宇选择电阻分压的方法进行电压采集，在温度采集方面则是采用了Pt100温度传感器，选用600A-75mV 型号的分流器进行电流采集，该数据采集系统单体数据采集单元内部同步性好，动态响应快，精度高，缺点是采用电阻分压时电池的信号线等线束都要汇集到主控制器，因连线较多，故可能出现连线之间的短路及绝缘问题，使布线较为困难。基于对以上研究的分析，以8节串联的磷酸铁锂电池为研究对象，考虑成本，实时性以及精确度，提出一种新得数据采集系统。最后通过Lab VIEW 上位机软件制作通信界面，并显示测量结果。

2 总体设计方案

汽车上动力电池常在强电磁和高脉冲电流的环境下工作，因此对动力电池的要求较高。根据动力电池数据采集系统要求实现的功能，该数据采集系统应包括：电压检测模块、均衡模块、电流检测模块、CAN、通讯等。整体设计方案如图1。

3 硬件电路的设计

3.1 电源电路的设计

系统的电源是把汽车发电机的电压转换为系统运行所需的电压，也就是说将12V电源转换为5V电压，使用78/79系列三端稳压IC的优点是其电路内部还有过热、过流和调整管的保护电路，所需的外围元件较少，使用起来方便可靠，而且价格便宜，应用范围广。本次设计中稳压电路中使用的是三端固定输出集成稳压器7805，输入电压为+5V。

3.2 电压检测和均衡模块

电池电压的测量也有很重要的作用，不仅可以用来分析电池所处的阶段，而且还有利于判断电池组的均衡性能。本次设计的对象是八个磷酸铁锂单体电池串联而成的电池组，单体电压3.2V，电池组的总电压25.6V。

电阻分压为共模测量，通过电阻分压将串联电池组的单体电压转换成共地电压信号；霍尔电压传感器是基于霍尔效应原理制成的，霍尔效应的产生是由于运动的载流子受磁场洛伦兹力作用的结果，具有精度高、工作频带宽、动态性能好、测量范围大等优点。本系统选用LTC6802电压监测芯片进行单体电压采集。

本次设计采用能耗式放电均衡方法，在LTC6802每节电池的均衡控制脚并联一个MOS管Q及一个放电电阻Rn2，通过控制MOS管的通断从而实现当电池电量过高时对其进行放电均衡，考虑到散热问题，电阻选100Ω。同时加入发光二极管D用于指示均衡是否开启，当MOSFET开关管处于导通状态时，其源极与栅极两端所承受的电压为电池电压，因此，并联一个稳压管Z作为保护。

3.3 控制芯片和CAN 通讯模块设计

本次设计选用的是STC公司生产的STC89C52 单片机， SJA1000虽然有系统完备的CAN总线协议，但它驱动力偏弱，其正常工作无法保证，故需要使用TJA1050总线驱动器，TJA1050总线驱动器可以实现高速通讯。图2 为控制芯片和CAN通讯电路图。

3.4 总电压检测模块

总电压是电池性能的直观表现，但不能有单体电压直接叠加而得出，测量总电压的方法有电压传感器和电阻分压法，因分压法测量精度无法保证，所以本系统采用公司AV100-150电压传感器，该电压传感器满足BMS的性能要求。总电压采集图如图3。

3.5 电流检测模块

电流采集方法有分流器、霍尔传感器和AD采集法。分流器是一个精确电阻，可以通过大电流值，当分流器中有电流流过时，其两端的电压值是可以用电压表测出的，电压测出后，再利用欧姆定律即可求得电流； 霍尔电流传感器利用的原理是霍尔闭环，可以将被测电流转换成按比例跟随输出的电流或电压。本设计中LEM公司生产的霍尔传感器LTS6-NP实现电池组充放电电流的精确测量，符合本次设计的要求。

3.6 温度检测模块

电池的工作温度与电池工作的安全直接相关，更是进行SOC估算的关键数据。为了达到所需要精度水平，需要进行手动校准和使用精密电阻，或通过数字方式实施线性化和校准。

通过综合的比较，数字式温度传感器可实现多点测温，并不需外接电源，所以选择数字式温度传感器。美国DALLAS半导体公司生产的DS18B20温度传感器的优势是体积小，抗干扰能力强，测量精度高，硬件成本低。测量的温度范围为-55℃～125℃； 测量分辨率为0.0625℃； 无需标定等。动力电池组每个单体中发生电化学反应时的温度为我们需要测量的电池的温度，但因单体都被密封组成电池组，内部的温度无法测量，因此，选择电池表面温度的最高点放置温度传感器，作为温度的采集点。通过多次充放电实验，可知电池表面中间点温度最高，故将传感器放置于此。

4 數据采集电路软件设计

本次设计的程序流程图主要包括主程序、初始化和定时中断程序。其中主程序包括上位机下发指令接收、温度采集部分、单体电压采集和均衡部分、电流采集部分和总电压采集部分等。根据以上分析进行软件的设计。

4.1 温度检测模块

根据DS18B20的通信协议，主机每次访问DS18B20都必须遵循以下顺序： 初始化、ROM操作命令、存储器操作命令、执行/数据。

进入温度采集子程序后，依次完成各通道的转换并存储转换结果，通过数字滤波算法得到一个可靠的AD值数据，然后对这个数据进行非线性校正和增益偏移。当一次循环采集后，再次返回到主程序中。温度采集流程为图4。

4.2 电压检测模块

电压采集流程为图5，首先对整个系统LTC6802进行初始化，初始化完成后，发送进行电压读取的命令，电压值读取到后存入数组中。CPU对读取到的电压值进行计算，算出最大和最小值，根据最值判断电池是否过充或过放，若有过充或过放，则采取均衡方法处理。

4.3 CAN通讯模块

对CAN控制器SJA1000进行必要的初始化，流程为图6，发送及接受报文。要进行SJA1000的初始化，首先要满足在复位条件下，初始化包括设置波特率参数，设置接受代码寄存器，设置接受滤波方式，设置接受屏蔽寄存器及终端允许寄存器。

5 系统测试

系统测试就是随整个系统进行可行性调试。最后通过Lab VIEW上位机软件制作通信界面，并显示测试结果。通过多次试验可得出结论：电压采集精度为±5mV，温度采集精度为±1℃，电流采集精度为±5mA。可知该系统工作稳定可靠，满足最初的设计要求。

6 结论

动力电池数据此采集系统完成了对电池电压、温度和电流的采集，完成了均衡，并把采集到的信息通过CAN总线传输给整车控制器，完成了系统的硬件和软件设计。通过实验并得出以下结论：

（1）通过串联电池的方法采集单体电压和总电压，简单精确，利用霍尔传感器和温度传感器进行电流和温度的采集，实现了对信息稿精度的采集。

（2）在系统的设计过程中使用了LTC6802，可实现均衡，使得监测系统更为安全可靠，同时也加入了软件和硬件滤波的措施，从而使得系统信号采集更为稳定、准确和抗干扰能力强等优点，总电压并未使用单体电压的直接叠加，使总电压这个数据更加准确可靠。

参考文献

[1]T Takeishi.Perspective on energy for vehicles from the viewpoint of energy resources.Environment andeconomy[J].J.Soc.Auto.Japan，1995，49（1）：28.33.

[2]Steven G chalk，James sF Miller.Key challenges and recent progress in batteries，fuel cells，and hydrogen storage for clean energy systems.Journal of Power Sources，2006，159（1）：73.80.

[3]刘小诗.动力电池测试平台数据采集系统设计[D].北京： 北京交通大学，2014.

[4]杨润宇.宽量程高精度电池数据采集系统的研究[D].北京：北京交通大学，2012.

[5]Gregory L.Plett.Sigma-PointKalman Filering for Battery Managc-ment Systems of Li PB-Based HEVBattery Packs[J].Journal of Power Sources，2006，826（1）：1.13.

[6]房继业.电动汽车BMS 中电池单体电压采集及其均衡方案研究[D].安徽： 合肥工业大学，2013.

[7]林如意，黄继业，高明煜等.HEV动力电池组数据采集系统设计[J].电子器件，2011，（10）：577.579.

[8]刘晓诗.动力电池测试平台数据采集系统设计[D].北京：北京交通大学，2014.