趙亞妮++閆剛印

摘要： 電池管理系統(tǒng)直接監(jiān)測(cè)管理蓄電池的充放電過程，對(duì)電池組的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。該純電動(dòng)汽車蓄電池管理系統(tǒng)由前端4個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)采集部分和1個(gè)中央處理機(jī)組成，數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理后通過處理器P87C591內(nèi)配置的CAN總線傳給中央處理機(jī)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集部分的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、分析處理、存儲(chǔ)及故障報(bào)警等功能。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定的應(yīng)用參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞： P87C591； 電池管理系統(tǒng)； CAN總線； 電荷狀態(tài)

中圖分類號(hào)：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-2163（2017）04-0108-04

0引言

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，以及目前對(duì)霧霾成因分析可知，礦物質(zhì)燃料的使用成為大氣污染的重要原因之一。對(duì)清潔能源的追求成為未來能源發(fā)展的重要方向?；谝陨显颍冸妱?dòng)汽車以其無污染、清潔無排放成為我國汽車重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。蓄電池是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池組進(jìn)行有效管理，提升蓄電池的質(zhì)量對(duì)電動(dòng)汽車發(fā)展十分重要。本文論述展開的電池管理系統(tǒng)是針對(duì)電動(dòng)汽車蓄電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)而設(shè)計(jì)研發(fā)的，能動(dòng)態(tài)地跟蹤電池組的實(shí)時(shí)狀況，實(shí)現(xiàn)電池組的自動(dòng)均衡，確保電池組安全高效運(yùn)行。

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的是Philips公司研發(fā)的P87C591單片機(jī)作為微處理器，該處理器具有片內(nèi)的CAN總線控制器和強(qiáng)大的A/D 轉(zhuǎn)換功能。本文設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，系統(tǒng)采集對(duì)象是24節(jié)12 V風(fēng)帆鉛酸蓄電池組，4個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)6個(gè)單體電池進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集模塊獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線上傳給中央處理單元，中央處理單元監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)完成單體電池電荷均衡控制。通訊單元借助CAN總線具體支持整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)，顯示控制單元將數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)的同時(shí)，將通過總線獲得的溫度、電壓、電流等信息顯示在液晶顯示屏上[1]。

1.1處理器選擇

P87C591是MCS-51系列單片機(jī)家族的衍生成員之一，是高性能的內(nèi)置有CAN總線控制器的八位微處理器。P87C591綜合了微控制器P87C554和SJAIO00 的CAN的控制器功能。常用于工業(yè)過程控制及汽車領(lǐng)域，除此之外具有以下增強(qiáng)型特性：增強(qiáng)的CAN接收中斷；擴(kuò)展的驗(yàn)收濾波器；驗(yàn)收濾波器可動(dòng)態(tài)變化。

微處理器P87C591主要用于設(shè)計(jì)執(zhí)行對(duì)影響鉛酸充電的溫度、電壓、電流等參數(shù)的監(jiān)測(cè)任務(wù)。本系統(tǒng)檢測(cè)對(duì)象為24節(jié)12 V鉛酸電池，檢測(cè)時(shí)劃定4組分別進(jìn)行檢測(cè)，每6個(gè)單體電池構(gòu)成一組檢測(cè)對(duì)象，電池組由4個(gè)獨(dú)立監(jiān)測(cè)模塊分別完成數(shù)據(jù)檢測(cè)，檢測(cè)獲得的數(shù)據(jù)通過CAN總線上傳給上位機(jī)，檢測(cè)時(shí)單組電池信息集中檢測(cè)，4組檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)一上傳中央處理單元，數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理，發(fā)揮了分布式系統(tǒng)和集中式系統(tǒng)的綜合優(yōu)勢(shì)[2]。整個(gè)系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、容易擴(kuò)充、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

1.2單體電壓采集模塊

P87C591處理器的額定電壓為5 V，被測(cè)電池的端電壓一般狀況下為12 V，充電時(shí)最高可達(dá)到15 V，為了便于單片機(jī)測(cè)壓，系統(tǒng)采用取樣電容C和分壓電阻R構(gòu)成分壓電路，取R1=2R，R2=R，電容的端電壓yc可由三要素公式（1）計(jì)算獲得：

yc（t）=yc（∞）+[yc（0+）-yc（∞）]e-[SX（]1[]τ[SX）]t[JY]（1）

根據(jù)已知條件可以計(jì)算出充放電時(shí)間常數(shù)τ1和τ2，并推算出采樣所需時(shí)間小于等于0.01τ2，綜合考慮A/D采樣時(shí)間，可以得到：

τ1=[SX（]2[]3[SX）]τ2≥6.6 ms[JY]（2）

數(shù)據(jù)采樣后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)預(yù)處理后通過CAN總線上傳給上位機(jī)，總的采樣時(shí)間受以上各個(gè)環(huán)節(jié)的制約，經(jīng)過計(jì)算可得到總時(shí)間約為50 ms。其中，τ2=10 ms，Cf=1 μF， R1=20 kΩ[3]， R2=10 kΩ。

1.3溫度采集模塊

溫度傳感器DS1820是美國Dallas半導(dǎo)體公司出品的數(shù)字化溫度傳感器。DS1820將檢測(cè)溫度的傳感元件和轉(zhuǎn)換電路集成在芯片內(nèi)，報(bào)警溫度和分辨率可編程設(shè)置并存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，“一線總線”接口形式為用戶組建傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了便捷的接口形式[4]。本系統(tǒng)中的測(cè)量溫度范圍為-55 ℃～+125 ℃，在-10 ℃～+85 ℃范圍內(nèi)，DS1820的檢測(cè)精度為±0.5 ℃，該系統(tǒng)采用DS1820獨(dú)立供電的外電源方式組成多節(jié)點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)24節(jié)電池巡回測(cè)溫，本系統(tǒng)通過在模塊上設(shè)置5位的撥碼開關(guān)產(chǎn)生地址數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過并口P2讀入地址數(shù)據(jù)，識(shí)別對(duì)應(yīng)的電池模塊，測(cè)溫系統(tǒng)連接示意則如圖2所示。

1.4CAN總線通訊

在總線通訊系統(tǒng)中，由于單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部帶有CAN總線控制器模塊，只需總線收發(fā)器即可完成數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)中選用82C250作為總線收發(fā)器，82C250不僅可以改善總線差動(dòng)收發(fā)數(shù)據(jù)的表現(xiàn)，而且具有對(duì)抗汽車各種運(yùn)行環(huán)境下瞬間干擾的能力。為了消除82C250總線收發(fā)器和CAN控制器之間的干擾，兩者之間采用光耦6N137進(jìn)行隔離，并且2個(gè)光耦6N137的電源也是獨(dú)立的，這樣使得整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性都得到了進(jìn)一步提高。

CAN總線與單片機(jī)的連接圖[5]如圖3所示。

2軟件部分

實(shí)驗(yàn)臺(tái)電池管理系統(tǒng)的軟件是在Windows98操作系統(tǒng)上用Vc6.0開發(fā)的，數(shù)據(jù)庫采用Access數(shù)據(jù)庫，包括數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)主控界面兩大模塊，2部分通過嵌入式CAN控制器實(shí)現(xiàn)CAN總線通信，各部分均為模塊化設(shè)計(jì)，并設(shè)置為不同檔位的優(yōu)先級(jí)別，便于調(diào)試和修改。

2.1前端數(shù)據(jù)采集模塊

電池組電壓數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)流程如圖4所示，電壓采集通過多路開關(guān)分時(shí)采集，每次采集電池電壓、電流、溫度三個(gè)變量。為了提高A/D轉(zhuǎn)換的精度，濾除干擾數(shù)據(jù)、減少誤差，一般會(huì)對(duì)采樣數(shù)據(jù)采用某種算法進(jìn)行處理，常用的方法有算術(shù)平均值法和中值濾波法。其中，算術(shù)平均值法是對(duì)采樣數(shù)據(jù)求得平均值來達(dá)到降低誤差的目的，該種方法對(duì)于脈沖信號(hào)帶來的干擾不易處理，而中值濾波法需要多次采樣才能效果顯著[6]。對(duì)比上述2種算法的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用的抗干擾方法就是在對(duì)采樣對(duì)象數(shù)次采樣后，通過一定邏輯運(yùn)算濾除干擾[7]。首先對(duì)采樣對(duì)象進(jìn)行4次原始數(shù)據(jù)采樣，求出最后3次采樣值的“或”，并將第1次采樣值與后3次采樣值運(yùn)算結(jié)果求“與”作為最終值。[JP2]數(shù)據(jù)分析表明，該方法的數(shù)據(jù)采樣量小、運(yùn)算簡單，基本上可以剔除去掉夾雜的干擾信號(hào)。[JP]endprint

2.2主控機(jī)軟件設(shè)計(jì)

主控機(jī)主要任務(wù)包括以下3個(gè)方面：

1）接收數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的電壓、電流、溫度等采集數(shù)據(jù)，按照預(yù)定方法計(jì)算處理后，在液晶顯示屏上給出顯示；

2）監(jiān)控采集數(shù)據(jù)是否達(dá)到報(bào)警值，若達(dá)到、則報(bào)警；

3）對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，顯示電池狀態(tài)。

在主控模塊中，各個(gè)模塊的時(shí)效性和占用時(shí)間不同，其中檢測(cè)模塊要求實(shí)時(shí)性比較高，但是占用時(shí)間比較短，而通信模塊需要傳輸大量的數(shù)據(jù)，占用時(shí)間比較長，但是實(shí)效性要求不高，這就需要對(duì)不同的任務(wù)根據(jù)實(shí)時(shí)性特點(diǎn)做出最優(yōu)響應(yīng)順序安排，本系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)模塊實(shí)時(shí)性的要求，對(duì)模塊進(jìn)行優(yōu)先等級(jí)劃分，同等情況下，優(yōu)先級(jí)別高的模塊優(yōu)先響應(yīng)，在有限的資源條件下，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性最優(yōu)[8]。運(yùn)行時(shí)，則從對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化開始，包括對(duì)單片機(jī)、CAN總線及顯示屏等的初始化，然后根據(jù)各模塊的優(yōu)先級(jí)選擇級(jí)別高的模塊執(zhí)行任務(wù)，并設(shè)置標(biāo)識(shí)位，進(jìn)入對(duì)應(yīng)模塊開啟處理操作。運(yùn)行過程

[LL]中，當(dāng)遇到更高級(jí)別模塊申請(qǐng)中斷，跳轉(zhuǎn)至高級(jí)模塊，任務(wù)結(jié)束后，即返回當(dāng)前模塊繼續(xù)工作。上位機(jī)主控板軟件程序框架如圖5所示。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了檢驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的誤差情況，針對(duì)電池組24節(jié)電池某時(shí)刻的電壓進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。電池組采用三相全控整流充電模式，電容濾波，高壓380 V/310 V，低壓380 V/30 V。將實(shí)際手動(dòng)測(cè)量值與數(shù)字采集系統(tǒng)的采集值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示，對(duì)24節(jié)電池的監(jiān)測(cè)效果顯示，2種方式獲得電壓值誤差平均為0.05 v，采樣精度基本達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)要求，說明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行、且有效[9]。

4結(jié)束語

電池管理系統(tǒng)前端以溫度傳感器DS18B20采集單體電池信息，采用微處理器P87C591掌控?cái)?shù)據(jù)處理，“橋電容”檢測(cè)方法進(jìn)行電壓隔離采集，以集中-分布綜合采集方式展開數(shù)據(jù)采集，利用CAN 總線來配置構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)采用嵌入式工業(yè)級(jí)PC機(jī)，用VC開發(fā)了主控機(jī)程序，主控機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊之間利用CAN的通信，完成數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、顯示等任務(wù)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)控電池各個(gè)參數(shù)信息，并能實(shí)現(xiàn)異常報(bào)警。系統(tǒng)存在的不足：本系統(tǒng)目前的數(shù)據(jù)檢測(cè)是在實(shí)驗(yàn)室中操作生成的，干擾信號(hào)相對(duì)較少，檢測(cè)精度能滿足設(shè)計(jì)要求，而實(shí)際車輛運(yùn)行中會(huì)遇到更多的干擾信號(hào)，測(cè)量精度是否能達(dá)到要求不能確定；該系統(tǒng)只檢測(cè)了3個(gè)基本參數(shù)，未對(duì)內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)數(shù)據(jù)也未采取引入深度分析，無法進(jìn)行電池剩余電量的估算。

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