張華鋒，廖菲，管道安，彭元亭

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動(dòng)力鋰離子電池智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

張華鋒1，廖菲2，管道安1，彭元亭1

(1. 武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064 ；2. 武漢電信網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控部，武漢 430030)

分析了鋰電池各運(yùn)行參數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于鋰電池智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法，通過改進(jìn)的測(cè)量方法實(shí)時(shí)測(cè)量鋰電池組的單體電池電壓、溫度及充放電電流，并通過CAN總線傳至上層節(jié)點(diǎn)，為鋰電池的智能管理提供現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。著重介紹了該數(shù)采單元的設(shè)計(jì)原理以及軟硬件設(shè)計(jì)。

鋰離子電池 數(shù)據(jù)采集 CAN總線 智能管理系統(tǒng)

1 引言

鋰離子電池由于具有電壓高、能量密度高、無“記憶效應(yīng)”、放電曲線平緩，綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)逐步在動(dòng)力電池方面獲得應(yīng)用。鋰電池過充、過放電、短路、溫度、單體電壓不一致性等都會(huì)對(duì)使用效率、使用壽命及使用安全產(chǎn)生影響。因此，獲得鋰電池的運(yùn)行參數(shù)從而對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控是非常必要的。

在研制的鋰電池智能管理系統(tǒng)中，通過實(shí)時(shí)測(cè)量鋰電池組的單體電池電壓、單體電池溫度、及充放電電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并通過總線將數(shù)據(jù)傳至上層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析處理，據(jù)此對(duì)鋰電池系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)鋰電池系統(tǒng)的高效，高壽命運(yùn)行。本文重點(diǎn)對(duì)鋰電池智能管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法進(jìn)行研究，通過CAN(Controller Area Network)總線為鋰電池智能管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)提供電池各運(yùn)行參數(shù)。

2 電池運(yùn)行參數(shù)測(cè)量

2.1 單體電池電壓測(cè)量

單節(jié)鋰電池電壓較低，很多場(chǎng)合需要串聯(lián)使用，而電池組的性能取決于最差的那節(jié)電池。因此測(cè)量串聯(lián)電池組單節(jié)電池的電壓成為必要而又關(guān)鍵的技術(shù)。

共模測(cè)量[1]和差模測(cè)量是測(cè)量串聯(lián)電池組各節(jié)電池電壓的兩種方法。當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)較多而且對(duì)測(cè)量精度要求較高時(shí)，只能采用差模測(cè)量。由于兩個(gè)測(cè)量端存在較高的共模電壓，所以不能采用模擬開關(guān)選通，也不能直接測(cè)量。工業(yè)上廣泛采用機(jī)械繼電器實(shí)現(xiàn)多路電壓選通，通過隔離放大器隔離共模電壓；這種方法在使用壽命，精度，抗干擾等方面存在明顯的不足。

本方案采用差模測(cè)量法，選用松下公司AQW21x系列光耦繼電器選通各電池端電壓，通過差動(dòng)放大器抵消測(cè)量端的共模電壓，再用運(yùn)放電路進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)電池?cái)?shù)較多時(shí)各電池電壓的實(shí)時(shí)高精度測(cè)量[2]，而且高額響應(yīng)和抗干擾能力很好。

所選差動(dòng)放大器是AD公司新一代運(yùn)算放大器，它最大的特點(diǎn)是它可以在某些情況下代替隔離放大器，在雙電源供電時(shí)輸入端可以耐高達(dá)500 V的共模電壓，在單電源12 V供電時(shí)也可以擁有高達(dá)220 V的共模輸入。所選光耦繼電器耐壓400 V，驅(qū)動(dòng)電流l mA，連續(xù)負(fù)載電流100 mA，平均動(dòng)作時(shí)間0.3 ms，導(dǎo)通電阻約30 nΩ，沒有噪音和開關(guān)次數(shù)限制。

測(cè)量電路原理圖如圖1。

圖1 單體電池電壓測(cè)量原理圖

2.2 單體電池溫度測(cè)量

除了電化學(xué)反應(yīng)的吸熱和放熱外，在充放電過程中，由于電池內(nèi)阻而產(chǎn)生的熱量也會(huì)引起電池的溫度發(fā)生變化。電池溫度測(cè)量是在電池極柱根部安置溫度傳感器，通過測(cè)量在線電池的溫度，找出溫度異常的電池。研究表明：無論是恒流放電、限壓恒流充電還是浮充狀態(tài)，荷電量最小的電池溫度最高。

系統(tǒng)中對(duì)單體電池溫度的測(cè)量采用了Dallas公司生產(chǎn)的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。與其他溫度傳感器相比，該傳感器具有如下特性：支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20溫度傳感器可并聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測(cè)量；測(cè)量范圍為-55～+125℃，分辨率為±0.5℃；測(cè)量結(jié)果以9～12位可選擇的二進(jìn)制數(shù)值量串行傳送。

電路原理圖如圖2。

2.3 電池充放電電流測(cè)量

鋰電池充放電電流的測(cè)量相對(duì)比較簡(jiǎn)單，考慮到放電電流很大，在此系統(tǒng)中采用了最高可測(cè)800 A電流的LEM公司的HAS500-S霍爾電流傳感器，它將電池充放電電流轉(zhuǎn)換成-4～+4V的直流電壓，電壓抬升后直接經(jīng)AD轉(zhuǎn)換即可得。

圖2 單體電池溫度測(cè)量原理圖

3 CAN通信設(shè)計(jì)

CAN總線是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信[3]．

由于每塊采集板采集多種測(cè)量，且系統(tǒng)中可能存在多塊采集板，為避免多塊采集板在數(shù)據(jù)交換時(shí)產(chǎn)生沖突，采用請(qǐng)求/響應(yīng)的主從式數(shù)據(jù)傳輸方式。由上層CAN通訊節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，采集板將各參數(shù)打包，分別發(fā)出，在包中標(biāo)明數(shù)據(jù)類型及采集板號(hào)。

使用C8051F040作為系統(tǒng)核心，該型單片機(jī)中已集成CAN控制器，從而大大簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。該控制器器符合Bosch規(guī)范2.0A和2.0B，可工作在標(biāo)準(zhǔn)模式和擴(kuò)展模式；支持?jǐn)?shù)據(jù)幀和遠(yuǎn)程幀；有完備的錯(cuò)誤診斷功能；有自動(dòng)重發(fā)功能[5]。

4 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示，該系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為核心組成。由CAN通信接口模塊、單體電池電壓采集模塊、單體電池溫度采集模塊以及電池充放電電流采集模塊等構(gòu)成。

由于系統(tǒng)中存在多個(gè)采集模塊，為避免多個(gè)塊采集模塊在數(shù)據(jù)交換時(shí)產(chǎn)生沖突，系統(tǒng)通訊采用請(qǐng)求/響應(yīng)的主從式數(shù)據(jù)傳輸方式。由中央控制單元的CAN通訊節(jié)點(diǎn)發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求，采集模塊將各參數(shù)打包，分別發(fā)出，在包中標(biāo)明數(shù)據(jù)類型類型及采集板號(hào)。中央控制單元將數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)分類進(jìn)行處理，這樣大大減少了數(shù)據(jù)的出錯(cuò)率。

在本系統(tǒng)中，選用高速CAN總線驅(qū)動(dòng)器82C250。由于82C250是標(biāo)準(zhǔn)5 V供電，因此通過高速光耦6Nl37與82C250相連，這樣既實(shí)現(xiàn)了CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，又增強(qiáng)總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，提高了節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和安全性，如圖3。

82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全與抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)小電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。

為提高板卡的測(cè)量精度、使其具有良好的互換性、便于系統(tǒng)擴(kuò)展，每塊采集板測(cè)量八路電壓和四路溫度[4]，使用中根據(jù)測(cè)量參數(shù)的數(shù)量靈活選擇采集板數(shù)。

圖3 數(shù)采單元硬件框圖

本系統(tǒng)用C51模塊化編程，提高了可讀性，維護(hù)方便。主要包括主程序、單體電池電壓采集程序、單體電池溫度采集程序、充、放電電流采集程序、CAN總線服務(wù)程序等。其中單體電池電壓采集和電池充、放電電流采集采用中斷方式實(shí)現(xiàn)，通過多次測(cè)量求平均值的方法，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。單體電池電壓采集中斷程序流程圖如圖4所示，單體電池溫度采集程序流程圖如圖5所示。

5 主要技術(shù)指標(biāo)

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)性能指標(biāo)及參數(shù)如下：

1) 電壓測(cè)量：由于每塊板卡獨(dú)立采集電池運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行處理，最多監(jiān)測(cè)電池?cái)?shù)目主要由CAN總線通信協(xié)議及硬件通訊時(shí)間決定，單體電池電壓測(cè)量范圍為2.30～4.80 V，電壓測(cè)量精度為±0.01 V。

2) 溫度測(cè)量：溫度測(cè)量范圍為-25～+85℃，溫度測(cè)量精度為±0.5℃。

3) 電流測(cè)量：電流測(cè)量范圍為0～800 A，電流測(cè)量精度為±l％。

圖4 單體電池電壓采集中斷程序流程圖

圖5 單體電池溫度采集程序流程圖

6 結(jié)束語

本文對(duì)鋰電池?cái)?shù)采系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過該系統(tǒng)為鋰電池實(shí)時(shí)監(jiān)控和充放電控制提供實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)提高直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行、供電系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化水平有著十分重要的意義。

[1] 古啟軍, 陳以方, 吳知非. 串聯(lián)電池組電壓測(cè)量方法研究[J]. 電測(cè)與儀表, 2005(5), 39(437): 1-2

[2] 謝永剛．移相全橋ZVZCS變換器及數(shù)字化控制研究．華中科技大學(xué)碩士論文，2006．

[3] 鄔寬明. CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：240-243

[4] 李立偉, 鄒積巖. 蓄電池總線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)雜志, 2008, (11).

[5] 張毅剛，趙光權(quán)，孫寧等．DSP原理、開發(fā)與應(yīng)用[M]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006．

The Design of Data Acquisition System for SMBS Based on CAN Bus

Zhang Huafeng1, Liao Fei2, Guan Dao’an1，Peng Yuanting1

（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC , Wuhan 430064 , China; 2. Chinatelecom Wuhan Branch, Wuhan 430030, China）

TP302.1

A

1003-4862（2013）04-0037-03

2012-08-24

張華鋒（1979－），男，工程師。研究方向：化學(xué)電源測(cè)控技術(shù)及船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)。