??? 摘? 要： 為了更好地監(jiān)測動力電池組狀態(tài)參數(shù)，易于電池管理，設(shè)計了動力電池狀態(tài)檢測與顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個電池單體檢測模塊組成，其核心是電池單體電壓采集電路；系統(tǒng)利用總線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。?

??? 關(guān)鍵詞： 動力電池組； 電池單體檢測； 總線通訊?

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??? 蓄電池是電動汽車的主要動力源，其狀態(tài)好壞和壽命長短在很大程度上決定了整車性能的優(yōu)劣^[1]。為保證車輛正?？煽啃旭?，電池管理系統(tǒng)必須實時監(jiān)測電池電壓的數(shù)據(jù)。為了避免電池電壓不均衡帶來的局部電池過充/過放與電池工作溫度過高引起的安全問題，要求檢測系統(tǒng)必須對電池單體電壓和電池工作溫度進行精確測量，并對電池工作溫度進行實時控制^[2]。因此，電池單體電壓與工作溫度的檢測及其在線監(jiān)測是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分。?

1? 蓄電池狀態(tài)檢測與顯示系統(tǒng)組成?

??? 蓄電池狀態(tài)檢測與顯示系統(tǒng)是由多個電池單體檢測模塊組成的，利用總線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，通過CANUSB智能CAN接口卡將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在PC機上顯示出來。電池單體檢測模塊以內(nèi)嵌CAN控制器的AVR型單片機AT90CAN128為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、溫度采集電路、風(fēng)扇控制電路以及CAN通信驅(qū)動電路等幾部分組成，如圖1所示。系統(tǒng)依靠核心器件AT90CAN128完成A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理功能，利用總線通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。?

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2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計?

2.1 電池單體電壓采集電路設(shè)計?

??? 在車載環(huán)境下，電池單體電壓是進行電池管理的主要依據(jù)參數(shù)之一，因此電池單體電壓的采集電路是電池狀態(tài)檢測模塊電路的核心部分，這里通過一種帶有模擬開關(guān)的壓控恒流源電路加以實現(xiàn)^[3]，其原理如圖2所示。該電路利用差動放大電路對共模信號的抑制作用實現(xiàn)長串電池組電池單體電壓的測量，把被檢測的電壓差(即單體電池端電壓)轉(zhuǎn)換成電流的形式長距離傳輸而不受外界干擾，且傳輸精度高，適合于不同電壓級別的微機接口電路。這里尤其要指出的是多個電池串聯(lián)引起的共地干擾問題，在采集電壓時，每一組采集電路都共用電路板上的模擬地，即圖2中的U_S-端點全部與地相連，若不加場效應(yīng)管，被采集串聯(lián)電池組間的電壓差就會在整個前項采集電路內(nèi)形成不流經(jīng)運算放大器的回路。若假設(shè)電池單體檢測模塊要采集n塊電池單體電壓值，那么在上述循環(huán)回路內(nèi)勢必有電流i產(chǎn)生，并且總的流向為從采集電路1輸入正端流入，從采集電路n的輸入負(fù)端流出，也就是說會使電路1中的恒電流I₁因正向疊加而變大，電路n中的恒電流因反向疊加而變小，中間各電路也相應(yīng)受不同程度影響。運用具有低導(dǎo)通內(nèi)阻的N溝道增強型場效應(yīng)管做模擬開關(guān)后，通過單片機I/O口來調(diào)節(jié)場效應(yīng)管的柵-源極電壓U_GS值，進而控制漏-源極間的導(dǎo)通或關(guān)斷，通過合理控制場效應(yīng)管的關(guān)斷，就能保證任一時刻只有一組電路參與工作，從而從根本上避免了多個電池串聯(lián)引起的共地干擾問題。

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??? 圖3所示為電池單體檢測模塊中電壓采集部分的結(jié)構(gòu)原理圖，其中a1～a8為電池單體電壓采集電路的輸出端，ADC0～ADC7為單片機AT90CAN128上對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換接口，PB0～PB7分別控制場效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷以保證任一時刻只有一組電路參與工作，TXCAN、RXCAN和STB分別為CAN總線通信的相關(guān)引腳。不難看出，模塊就是將八組單體電壓采集電路置于同一塊電路板上設(shè)計而成的，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和CAN串行總線通信即可完成數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸。由此根據(jù)串聯(lián)電池組中的電池數(shù)量采用一個或多個電壓檢測模塊就實現(xiàn)了對其中每塊電池單體電壓的測量。

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2.2 單線式溫度采集與控制單元設(shè)計?

??? 電池單體檢測模塊中工作溫度的采集通過單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B20加以實現(xiàn)。DS18B20是美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的高性能數(shù)字式溫度傳感器，能將溫度感應(yīng)電路、A/D轉(zhuǎn)化電路、寄存器和接口電路集成在一個芯片中，從而實現(xiàn)直接數(shù)字化輸出和測試，并且有精度高(通過簡單的編程可實現(xiàn)9～12位的采集精度)、控制功能強、傳輸距離遠、抗干擾能力強、微型化、微功耗和使用方便等特點^[4]。溫度采集電路如圖4所示。?

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??? 單片機的PA4口經(jīng)過光耦、驅(qū)動器與DS18B20 的I/O端(DQ)相連，通過PA4口串行發(fā)送相關(guān)的DS18B20 控制命令，控制DS18B20 完成溫度的轉(zhuǎn)換和輸出；DS18B20 串行輸出的溫度值再經(jīng)驅(qū)動器、光耦由單片機的PA5口讀入。?

??? 溫度控制電路是單片機通過場效應(yīng)管與風(fēng)扇相連，當(dāng)采集的溫度高于設(shè)定的溫度值上限時，單片機通過控制場效應(yīng)管導(dǎo)通使風(fēng)扇打開；當(dāng)采集的溫度低于設(shè)定的溫度值下限時，單片機通過控制場效應(yīng)管關(guān)斷使風(fēng)扇關(guān)閉。它的控制電路比較簡單，這里不再給出。?

2.3 CAN串行通信總線的硬件設(shè)計?

??? 圖5為基于AT90CAN128單片機的CAN總線實現(xiàn)的硬件連接圖。?

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??? 從圖中可以看出，電路主要由三部分組成:單片機AT90CAN128、高速光隔6N137和高速CAN總線收發(fā)器。單片機的PD4口通過光隔連接了CAN收發(fā)器，以控制收發(fā)器使能；單片機的TXCAN和RXCAN也分別通過光隔連接CAN收發(fā)器的TXD和RXD引腳，以進行數(shù)據(jù)交換。整個CAN通信接口電路就是把單片機的TTL電平經(jīng)過光電隔離后，再經(jīng)由CAN驅(qū)動器將其變?yōu)榉螩AN接口標(biāo)準(zhǔn)的差分信號發(fā)送出去，并利用TJA1040內(nèi)的接收器將總線上的差分信號轉(zhuǎn)化為TTL電平信號，再經(jīng)光電隔離后接收進來。?

??? 高速光隔6N137將微控制器與現(xiàn)場總線隔離,可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。CAN總線收發(fā)器采用了TJA1040，它與82C250芯片引腳完全兼容,是CAN 控制器與物理傳輸媒體之間的物理連接子層接口。?

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計?

??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括A/D轉(zhuǎn)換、溫度采集和CAN的發(fā)送程序，主程序流程如圖6所示。從流程圖中不難看出，主程序在系統(tǒng)初始化后就開啟定時器中斷，如無中斷發(fā)生，則在循環(huán)體里執(zhí)行電壓采集及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送程序。一旦中斷發(fā)生，則執(zhí)行溫度采集及其相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送程序，并判斷溫度值是否達到設(shè)定的溫度值上限，若達到則開啟風(fēng)扇，否則關(guān)閉風(fēng)扇。程序利用中斷從時序上保證了各項任務(wù)的有序進行、互不影響，故較為實用。?

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3.1 CAN總線節(jié)點的軟件設(shè)計?

??? 在電池單體檢測模塊中，CAN總線節(jié)點的軟件設(shè)計主要包括CAN控制器的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送程序。對內(nèi)嵌于單片機AT90CAN128的CAN控制器，其初始化主要包括波特率參數(shù)設(shè)置、接收代碼寄存器和接收屏蔽寄存器的設(shè)置以及使能允許寄存器的設(shè)置等，其主要程序清單如下：?

????CANGCON=0x80;//進入復(fù)位模式并且復(fù)位MOb?

??? while(CANGSTA&0x04);?

??? CANGIE=0x00; ?? //禁止CAN的所有中斷?

??? CANEN1=0x00; ?? //使能MOb0,MOb1?

??? CANEN2=0x03;??? ?

??? CANIE2=0x00;? ? //MOb中斷禁止?

??? CANIE1=0x00; ?

??? CANBT1=0x00; ?? //波特率參數(shù)設(shè)置,設(shè)為1M?

??? CANBT2=0x04;?

??? CANBT3=0x13;?

??? CANTCON=0x00;?

??? CANPAGE=Volt_MOB; ? //指定消息的Mob頁?

??? CANCDMOB=0x18; //禁止?fàn)顟B(tài)，CAN2.0B協(xié)議，8位數(shù)據(jù)長度?

??? CANIDT1=0x00;? ???? //初始化接收碼寄存器?

??? CANIDT2=0x00;?

??? CANIDT3=0x01;?

??? CANIDT4=0x08;?

??? CANIDM1=0xff;? ???? //初始化接收屏蔽寄存器?

??? CANIDM2=0xff;?

??? CANIDM3=0xff;?

??? CANIDM4=0xff;?

??? CANGCON=0x02; ????? ???//初始化完成，進入操作模式

??? while(!(CANGSTA&0x04)); ??? //等待，直到CAN控制器使能標(biāo)志位置1?

??? 這里尤其要指出的是，在AT90CAN128單片機中驗收屏蔽寄存器的設(shè)計邏輯與其他CAN控制器驗收屏蔽寄存器設(shè)計邏輯剛好相反。在AT90CAN128單片機內(nèi)嵌的CAN控制器中，對所有驗收屏蔽寄存器為1的位，僅當(dāng)接收碼寄存器和CAN信息幀對應(yīng)位相對應(yīng)的驗收才能通過；而對所有驗收屏蔽寄存器為0的位，接收碼寄存器對應(yīng)位的驗收濾波功能被屏蔽^[5]。?

3.2? 單線式多點溫度采集的軟件設(shè)計?

??? 溫度傳感器DS18B20遵循1-WIRE網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，該協(xié)議是分時定義的，有嚴(yán)格的時隙要求。單片機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：初始化、ROM操作指令和存儲器操作指令?？刂七^程為：啟動DS18B20，采用默認(rèn)的12位轉(zhuǎn)換精度開始溫度值轉(zhuǎn)換，讀出轉(zhuǎn)換值。由于本系統(tǒng)多個DS18B20在一條總線上，為了識別不同的器件，本文采用先將DS18B20逐個與主機掛接，讀出其序列號后，再將讀出序列號的各個DS18B20掛在一條總線上與系統(tǒng)相連接。這樣單片機的一個I/O口就可以控制多個DS18B20，節(jié)省了單片機內(nèi)部資源。?

4 試驗設(shè)計與驗證?

??? 為了驗證電池單體檢測模塊的工作性能，采用直流穩(wěn)壓電源代替鋰離子電池，通過改變直流穩(wěn)壓源電壓值模擬鋰離子電池電壓變化情況。圖7為以電池輸入電壓3.6V為基準(zhǔn)、先逐漸增大電池輸入電壓后逐漸減小電池輸入電壓，電池單體檢測模塊所得到的電壓值與理論值的誤差曲線圖，其誤差均保持在0.02V范圍內(nèi)。因此，整體上能夠滿足設(shè)計和使用方面的要求。?

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??? 通過試驗驗證，整個動力電池檢測與顯示系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性和精確性。其中，電池單體檢測模塊中電壓采集部分采用帶有模擬開關(guān)的壓控恒流源電路，該電路將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，大大提高了抗干擾性能，使其能夠滿足電動車輛的使用要求。此外該檢測模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、傳輸距離遠等優(yōu)點。利用內(nèi)嵌于單片機內(nèi)的CAN控制器，接口電路簡單、可靠、并具有良好的工作穩(wěn)定性。?

參考文獻?

[1]?朱正.動力電池組分布式管理系統(tǒng)設(shè)計及實車試驗[D].北京：北京理工大學(xué)，2006. ?

[2]?張彩萍,張承寧.電動車輛動力電池組電壓采集電路設(shè)計[J].電氣應(yīng)用，2007，26（12）：91－93.?

[3]?童詩白,華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2000.?

[4]?高云紅.數(shù)字溫度傳感器在多點溫度測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2006,23(2):61－63.?

[5]?ATMEL Corporation. AT90CAN128 [EB/OL].http://www.atmel. com. Rev. 4250-CAN-04/ 05.