引言
隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，大型工廠開始逐步使用動力電池驅(qū)動的運輸車輛。電動汽車目前常用的電池有鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。電池是一個集成高能量的物體，它的使用以及安全管理就顯得尤為重要。目前的電動汽車中缺少能夠?qū)崟r、直觀、在線地反映蓄電池狀況的設(shè)備，由于對蓄電池保養(yǎng)不及時、保管不善、放電過度而造成的早期損壞，給企業(yè)帶來一定的損失。電池管理系統(tǒng)能解決這一問題，因此研究一套能夠?qū)崟r監(jiān)測蓄電池工作狀況的系統(tǒng)有著十分重要的價值和意義。
參考文獻設(shè)計出的蓄電池管理系統(tǒng)缺少數(shù)據(jù)的傳輸功能，使得應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻設(shè)計的電池管理系統(tǒng)是以DSP為控制核心，其成本較高，而且系統(tǒng)運行的功耗也較高，有較大的局限性。
針對以上缺點，現(xiàn)采用基于單片機CC430F5137為控制核心的設(shè)計方案。CC430F5137內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器，可以實現(xiàn)100～200 m的無線傳輸功能，而且CCA30F5137具有MSP430系列單片機的低功耗特性。以上優(yōu)點彌補了目前電池管理系統(tǒng)的缺陷，達到了目前應(yīng)用的要求。
1 電池管理系統(tǒng)運行原理
本系統(tǒng)安裝在電動汽車中，可以實時監(jiān)視電池的狀況。當電池汽車充電時，系統(tǒng)可以將充電數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸給充電中心，并自動進行充放電管理。這樣充電中心就可以實時了解充電的狀態(tài)，而且充電中心不用將其他線路接入汽車內(nèi)，減少了搭建線路的麻煩，提高了工作效率；當汽車在正常使用電池時，系統(tǒng)會實時監(jiān)測電池的用電情況，在剩余電量不足時及時通知駕駛?cè)藛T，并將警報通過無線模塊發(fā)送給充電中心，告知需要充電。
電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)以CC430F5137為控制核心；蓄電池充放電控制電路主要是對蓄電池的充放電進行管理，大功率蓄電池充放電電流較大，需要充放電控制電路對電池進行保護充放電，以免損壞電池；蓄電池檢測電路主要是檢測電池的充放電電壓、充放電電流和電池溫度等；LCD顯示電路用于顯示電池電壓、溫度、電量等參數(shù)，以給使用人員提供一個參考；CC1101無線電模塊用于將采集的電池數(shù)據(jù)通過無線電發(fā)送給充電中心，以便充電中心進行實時管理。
2 蓄電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計
蓄電池管理系統(tǒng)包括電流檢測模塊、電壓檢測模塊、溫度檢測模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。
2．1 電流、電壓檢測模塊設(shè)計
在本系統(tǒng)中，單片機需要對蓄電池組的整體電壓和單節(jié)電池電壓進行檢測。目前有兩種檢測方法：一種是采用霍爾電壓傳感器來轉(zhuǎn)換被測電壓，再通過A／D轉(zhuǎn)換元件進行采樣；另一種是采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路，再用A／D轉(zhuǎn)換元件進行采樣。第二種方法對于電壓范圍較固定的條件下比較適合，如果有大電壓或者電壓范圍較大的情況下，采用第一種方法比較適合。本系統(tǒng)采用第一種檢測方法。
2．1．1 模擬采樣芯片的選擇
本系統(tǒng)選用AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來采集模擬信號。AD7656是利用創(chuàng)新的半導體制造工藝(iCMOS)制作的高集成度、6通道同時采樣的16位逐次逼近型的ADC。其吞吐率高達250 ksps，可以6通道同時采樣；支持并行、串行和菊花鏈的接口模式；可以與處理器的SPI、QSPI等高速串口實現(xiàn)無縫連接；寬帶寬輸入，輸入頻率為50 kHz時的信噪比(SNR)為86．5 dB；在供電電壓為5 V、采樣速率為250 ksps時，功耗為140mW。如圖2所示，AD7656有兩個電源輸入端，分別為模擬電壓輸入端AVCC和數(shù)字電壓輸入端DVCC。在AD7656同時轉(zhuǎn)換6通道數(shù)據(jù)時，需要一個標準的輸入電源，以便達到高精度的要求，所以AVCC的去耦就顯得十分重要。在本系統(tǒng)中的供電電源的輸出端加一磁珠，以便提供較好的電源。在電路的接地設(shè)計中，AD7656的DGND與AGND需要相互分開接地，以免相互影響。本系統(tǒng)中電源正電壓VDD為+12 V，邏輯電源VDRIVE、數(shù)字電源DVCC、模擬電源AVCC的供電電壓均為+5 V，電源負電壓VSS的供電電壓為-12 V。RANGE端口接地，即選擇輸入范圍±10 V；W／B接地表示16位并行輸出；AD7656的STBY接VDRIVE，選擇正常模式；SER／PAR端口接地，選擇并行接口；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。
CC430F5137與AD7656的硬件連接圖如圖2所示。CC430F5137的P0口的16個I／O端口作為并行數(shù)據(jù)口，與AD7656的并行數(shù)據(jù)口DB0～DB15相連；P1．0端口與AD7656的BUSY相連，用來檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；P1．1端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個端口相連，作為AD7656的6路A／D同時采樣啟動控制口；P1．2端口與AD7656的讀信號／RD相連作為讀取數(shù)據(jù)控制口；P1．3端口與AD7656的／CS端相連作為片選控制口；P1．4端口與AD7656的RESET端相連作為AD7656的重啟控制端口。
2．1．2 電流檢測模塊設(shè)計
電流檢測模塊采用的是霍爾電流傳感器，其測量范圍是0～100 A，電流信號按1：1000的比例縮小后在精密采樣電阻上變成電壓信號。如圖3所示，將流經(jīng)待測電流的導線穿入傳感器缺口處，此時M端輸出的電流是與待測電流同比例縮小的信號。該電流信號流經(jīng)采樣電阻后，在電阻兩端形成一個電壓降，由于電阻的一端接地，所以電阻的另一端V。即轉(zhuǎn)化的電壓信號。電流傳感器輸出的電流范圍為0～100 mA，所以采樣電阻的大小決定輸出的電壓范圍，根據(jù)AD7656模擬轉(zhuǎn)換芯片對輸入電壓的要求以及電流傳感器的轉(zhuǎn)換比例，選擇采樣電阻R的阻值為100 Ω，得到輸出信號的電壓在0～10 V以內(nèi)，滿足A／D轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓要求。
2．1．3 電壓檢測模塊設(shè)計
電壓檢測模塊采用的是霍爾電壓傳感器加A／D轉(zhuǎn)換器的測量方法。如圖4所示，電壓檢測模塊采用的霍爾電壓傳感器。其測量范圍為0～200 V，電壓傳感器的額定輸入電流為0～10 mA，所以在將電池的電壓接入霍爾電壓傳感器前，需要在電壓傳感器接入之前串入一個限流電阻R1，根據(jù)輸入電壓的范圍，R1的阻值選為20 kΩ，電阻的精度必須要求足夠高，因為電阻R1的精度將直接影響輸入電壓的精度，進而影響整個電壓測量的精度。如圖4所示，電壓傳感器的輸出端M輸出一個電流信號，其范圍為0～25 mA，但是A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號要求為一個電壓信號，所以需要將電壓傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，在電壓傳感器的輸出端M與地之間串聯(lián)一個電阻R2，這樣輸出端M輸出的電流作用在電阻R2得到電壓信號，依照A／D轉(zhuǎn)換器對輸入的電壓信號范圍要求，R2的阻值選為400Ω。
2．2 溫度檢測模塊設(shè)計
電池在充放電過程中，內(nèi)部的部分能量會以熱能的形式進行釋放，如果單個電池溫度過高，則會影響電池的壽命，甚至導致電池爆炸。電池在不同的溫度下會表現(xiàn)出不同的物理特性，測量出電池的溫度，并根據(jù)其內(nèi)部固有的性能指標去使用和維護電池，這對于延長電池使用壽命以及讓電池達到最佳使用效果是一個非常重要的環(huán)節(jié)?？紤]到設(shè)備低功耗要求和成本限制，在本系統(tǒng)中選擇了Maxim公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器進行溫度測量。DS18B20是一款高速度、高精度的溫度傳感器，在安裝溫度傳感器時，需要將其盡可能地貼近蓄電池。DS18B20的電源供電電壓為3 V；測量范圍為-55～+125℃；測量精度為0．5℃。溫度采集電路圖如圖5所示，DS18B20的供電電壓為3 V，單片機CC430F51 37的P1．5口與DS18B20的DQ口相連，用來控制DS18B20。
2．3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計
數(shù)據(jù)傳輸模塊由CC430F5137單片機內(nèi)部集成的CC1101無線電模塊構(gòu)成。CC430F5137單片機是TI公司的MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品，可實現(xiàn)極低的電流消耗，而且其采用電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，無需維修即可工作長達10年以上。微型封裝所包含的高級功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動力，以向中央采集點報告數(shù)據(jù)。CC430F5137為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、CC1101無線電和2 KB RAM，供電電壓范圍為1．8～3．6V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，LPM_3消耗電流為2．0μA。
CCA30F5137單片機內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，無線電的RF頻率設(shè)為915 MHz，信道間隔為100 kHz，數(shù)據(jù)傳輸率為38．4 kbps，發(fā)送功率最大可以達到-109 dBm，傳輸距離可以達到200 m。距離較遠的情況下可以外接大功率天線，增加傳輸距離，根據(jù)傳輸距離調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小，使功耗盡量最低。CC430F5137的RF無線電硬件電路如圖6所示。CC430F5137的供電電壓為+3．3 V，外接頻率為26 MHz的石英晶振。其中RF_N和RF_P為RF無線電收發(fā)器的接收發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，用以增加傳輸距離。
3 動力電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
動力電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括SoC電量檢測子程序、電池正常使用時系統(tǒng)程序和電池充電時系統(tǒng)程序的設(shè)計，下面就這各部分進行詳細介紹。
3．1 SoC電量檢測子程序
蓄電池管理系統(tǒng)中，常用的SoC計算方法有庫倫計算法、開路電壓法、阻抗測量法、綜合查表法等。出于系統(tǒng)低功耗特性以及成本考慮，本系統(tǒng)采用綜合查表法。電池的剩余容量SoC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)有著密切的聯(lián)系。通過電池固有的特性設(shè)置一個相關(guān)表，根據(jù)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以算出得到電池的剩余電量值。剩余電量檢測程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化完畢后開始檢測電池的電壓、電流、溫度參數(shù)，然后根據(jù)已經(jīng)列出的相關(guān)表計算出電池的剩余電量，將所算出的數(shù)據(jù)通過顯示屏進行顯示。同時，將此數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸給充電中心，如果剩余電量不足，系統(tǒng)會觸發(fā)報警裝置，告知人員電量不足。
3．2 電池正常使用時系統(tǒng)程序設(shè)計
在電池正常使用時，CC430F5137會實時檢測電池的各項參數(shù)，包括電壓、電流、溫度等。根據(jù)查表法就可以計算出電池的剩余電量，如果電量不足，系統(tǒng)會提示使用人員，告知電量不足，并通過CCA30F5137內(nèi)部集成的RF無線電模塊，將電量不足的信息發(fā)送給充電中心。如果電池的輸出電流較大，超過電池的固有指標，系統(tǒng)也會發(fā)出警報，告知電池有特殊情況，并及時檢查更換電池。
電池正常使用時系統(tǒng)程序流程如圖8所示。首先系統(tǒng)會檢測電池的相關(guān)參數(shù)，并計算電量，顯示電池的相關(guān)信息，如果有警報發(fā)生，系統(tǒng)會及時通知使用人員和充電中心。
3．3 電池充電時系統(tǒng)程序設(shè)計
因為在電池充電的不同階段，電池輸入的電壓和電流需要不斷變化，所以在充電過程中系統(tǒng)會實時地檢測電池的輸入電壓、電流和溫度等參數(shù)，然后根據(jù)查表法計算出電池的電量，并將電量信息通過RF無線電發(fā)送給充電中心。這樣充電中心依照電池的實時參數(shù)不斷地控制充電電壓和充電電流，來更好地進行充電。
其系統(tǒng)程序流程如圖9所示。
系統(tǒng)初始化后，會不斷檢測電池的相關(guān)參數(shù)，然后將電池的相關(guān)信息發(fā)送給充電中心，同時判斷是否已經(jīng)充滿，如果充滿電，則會通知人員電池已充滿。
結(jié)語
本文設(shè)計出了一種基于CC430F5137單片機的動力電池管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電池的使用情況，將電池的實時數(shù)據(jù)及時反饋給用戶。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。