??? 摘? 要： 為了更好地監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組狀態(tài)參數(shù)，易于電池管理，設(shè)計(jì)了動(dòng)力電池狀態(tài)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個(gè)電池單體檢測(cè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與顯示。?

??? 關(guān)鍵詞： 動(dòng)力電池組； 電池單體檢測(cè)； 總線通訊?

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??? 蓄電池是電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿υ矗錉顟B(tài)好壞和壽命長(zhǎng)短在很大程度上決定了整車性能的優(yōu)劣^[1]。為保證車輛正常可靠行駛，電池管理系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電壓的數(shù)據(jù)。為了避免電池電壓不均衡帶來(lái)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(cè)系統(tǒng)必須對(duì)電池單體電壓和電池工作溫度進(jìn)行精確測(cè)量，并對(duì)電池工作溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制^[2]。因此，電池單體電壓與工作溫度的檢測(cè)及其在線監(jiān)測(cè)是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分。?

1? 蓄電池狀態(tài)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)組成?

??? 蓄電池狀態(tài)檢測(cè)與顯示系統(tǒng)是由多個(gè)電池單體檢測(cè)模塊組成的，利用總線技術(shù)實(shí)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(jī)上顯示出來(lái)。電池單體檢測(cè)模塊以內(nèi)嵌CAN控制器的AVR型單片機(jī)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(dòng)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(shí)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(jì)?

2.1 電池單體電壓采集電路設(shè)計(jì)?

??? 在車載環(huán)境下，電池單體電壓是進(jìn)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(cè)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(shí)現(xiàn)^[3]，其原理如圖2所示。該電路利用差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制作用實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)串電池組電池單體電壓的測(cè)量，把被檢測(cè)的電壓差(即單體電池端電壓)轉(zhuǎn)換成電流的形式長(zhǎng)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(jí)別的微機(jī)接口電路。這里尤其要指出的是多個(gè)電池串聯(lián)引起的共地干擾問題，在采集電壓時(shí)，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(diǎn)全部與地相連，若不加場(chǎng)效應(yīng)管，被采集串聯(lián)電池組間的電壓差就會(huì)在整個(gè)前項(xiàng)采集電路內(nèi)形成不流經(jīng)運(yùn)算放大器的回路。若假設(shè)電池單體檢測(cè)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(shì)必有電流i產(chǎn)生，并且總的流向?yàn)閺牟杉娐?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(huì)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(yùn)用具有低導(dǎo)通內(nèi)阻的N溝道增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管做模擬開關(guān)后，通過單片機(jī)I/O口來(lái)調(diào)節(jié)場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源極電壓U_GS值，進(jìn)而控制漏-源極間的導(dǎo)通或關(guān)斷，通過合理控制場(chǎng)效應(yīng)管的關(guān)斷，就能保證任一時(shí)刻只有一組電路參與工作，從而從根本上避免了多個(gè)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(cè)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(jī)AT90CAN128上對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換接口，PB0～PB7分別控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷以保證任一時(shí)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(jì)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?cái)?shù)量采用一個(gè)或多個(gè)電壓檢測(cè)模塊就實(shí)現(xiàn)了對(duì)其中每塊電池單體電壓的測(cè)量。

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2.2 單線式溫度采集與控制單元設(shè)計(jì)?

??? 電池單體檢測(cè)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(shí)現(xiàn)。DS18B20是美國(guó)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(gè)芯片中，從而實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字化輸出和測(cè)試，并且有精度高(通過簡(jiǎn)單的編程可實(shí)現(xiàn)9～12位的采集精度)、控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、微型化、微功耗和使用方便等特點(diǎn)^[4]。溫度采集電路如圖4所示。?

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??? 單片機(jī)的PA4口經(jīng)過光耦、驅(qū)動(dòng)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(dòng)器、光耦由單片機(jī)的PA5口讀入。?

??? 溫度控制電路是單片機(jī)通過場(chǎng)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(shí)，單片機(jī)通過控制場(chǎng)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(shí)，單片機(jī)通過控制場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)斷使風(fēng)扇關(guān)閉。它的控制電路比較簡(jiǎn)單，這里不再給出。?

2.3 CAN串行通信總線的硬件設(shè)計(jì)?

??? 圖5為基于AT90CAN128單片機(jī)的CAN總線實(shí)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(jī)AT90CAN128、高速光隔6N137和高速CAN總線收發(fā)器。單片機(jī)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個(gè)CAN通信接口電路就是把單片機(jī)的TTL電平經(jīng)過光電隔離后，再經(jīng)由CAN驅(qū)動(dòng)器將其變?yōu)榉螩AN接口標(biāo)準(zhǔn)的差分信號(hào)發(fā)送出去，并利用TJA1040內(nèi)的接收器將總線上的差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為TTL電平信號(hào)，再經(jīng)光電隔離后接收進(jìn)來(lái)。?

??? 高速光隔6N137將微控制器與現(xiàn)場(chǎng)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(jì)?

??? 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shí)器中斷，如無(wú)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(dá)到設(shè)定的溫度值上限，若達(dá)到則開啟風(fēng)扇，否則關(guān)閉風(fēng)扇。程序利用中斷從時(shí)序上保證了各項(xiàng)任務(wù)的有序進(jìn)行、互不影響，故較為實(shí)用。?

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3.1 CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)?

??? 在電池單體檢測(cè)模塊中，CAN總線節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN控制器的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送程序。對(duì)內(nèi)嵌于單片機(jī)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(jìn)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(yè)?

??? CANCDMOB=0x18; //禁止?fàn)顟B(tài)，CAN2.0B協(xié)議，8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(jìn)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(jī)中驗(yàn)收屏蔽寄存器的設(shè)計(jì)邏輯與其他CAN控制器驗(yàn)收屏蔽寄存器設(shè)計(jì)邏輯剛好相反。在AT90CAN128單片機(jī)內(nèi)嵌的CAN控制器中，對(duì)所有驗(yàn)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(duì)應(yīng)位相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收才能通過；而對(duì)所有驗(yàn)收屏蔽寄存器為0的位，接收碼寄存器對(duì)應(yīng)位的驗(yàn)收濾波功能被屏蔽^[5]。?

3.2? 單線式多點(diǎn)溫度采集的軟件設(shè)計(jì)?

??? 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(shí)定義的，有嚴(yán)格的時(shí)隙要求。單片機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟：初始化、ROM操作指令和存儲(chǔ)器操作指令。控制過程為：?jiǎn)?dòng)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(gè)DS18B20在一條總線上，為了識(shí)別不同的器件，本文采用先將DS18B20逐個(gè)與主機(jī)掛接，讀出其序列號(hào)后，再將讀出序列號(hào)的各個(gè)DS18B20掛在一條總線上與系統(tǒng)相連接。這樣單片機(jī)的一個(gè)I/O口就可以控制多個(gè)DS18B20，節(jié)省了單片機(jī)內(nèi)部資源。?

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證?

??? 為了驗(yàn)證電池單體檢測(cè)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(cè)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(jì)和使用方面的要求。?

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??? 通過試驗(yàn)驗(yàn)證，整個(gè)動(dòng)力電池檢測(cè)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(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，大大提高了抗干擾性能，使其能夠滿足電動(dòng)車輛的使用要求。此外該檢測(cè)模塊具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。利用內(nèi)嵌于單片機(jī)內(nèi)的CAN控制器，接口電路簡(jiǎn)單、可靠、并具有良好的工作穩(wěn)定性。?

參考文獻(xiàn)?

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[3]?童詩(shī)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(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,23(2):61－63.?

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