張華鋒，廖菲，管道安，彭元亭

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

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)

分析了鋰電池各運行參數(shù)的特點，設(shè)計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)的測量方法實時測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，為鋰電池的智能管理提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)。著重介紹了該數(shù)采單元的設(shè)計原理以及軟硬件設(shè)計。

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)點逐步在動力電池方面獲得應(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對使用效率、使用壽命及使用安全產(chǎn)生影響。因此，獲得鋰電池的運行參數(shù)從而對其進(jìn)行實時監(jiān)控是非常必要的。

在研制的鋰電池智能管理系統(tǒng)中，通過實時測量鋰電池組的單體電池電壓、單體電池溫度、及充放電電流，實現(xiàn)對鋰電池組運行參數(shù)的實時監(jiān)測，并通過總線將數(shù)據(jù)傳至上層節(jié)點進(jìn)行分析處理，據(jù)此對鋰電池系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)控制，實現(xiàn)鋰電池系統(tǒng)的高效，高壽命運行。本文重點對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)實時提供電池各運行參數(shù)。

2 電池運行參數(shù)測量

2.1 單體電池電壓測量

單節(jié)鋰電池電壓較低，很多場合需要串聯(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)。

共模測量[1]和差模測量是測量串聯(lián)電池組各節(jié)電池電壓的兩種方法。當(dāng)串聯(lián)電池數(shù)較多而且對測量精度要求較高時，只能采用差模測量。由于兩個測量端存在較高的共模電壓，所以不能采用模擬開關(guān)選通，也不能直接測量。工業(yè)上廣泛采用機(jī)械繼電器實現(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，通過差動放大器抵消測量端的共模電壓，再用運放電路進(jìn)行信號調(diào)理，能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)電池數(shù)較多時各電池電壓的實時高精度測量[2]，而且高額響應(yīng)和抗干擾能力很好。

所選差動放大器是AD公司新一代運算放大器，它最大的特點是它可以在某些情況下代替隔離放大器，在雙電源供電時輸入端可以耐高達(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)動電流l mA，連續(xù)負(fù)載電流100 mA，平均動作時間0.3 ms，導(dǎo)通電阻約30 nΩ，沒有噪音和開關(guān)次數(shù)限制。

測量電路原理圖如圖1。

圖1 單體電池電壓測量原理圖

2.2 單體電池溫度測量

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)生的熱量也會引起電池的溫度發(fā)生變化。電池溫度測量是在電池極柱根部安置溫度傳感器，通過測量在線電池的溫度，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)中對單體電池溫度的測量采用了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：支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20溫度傳感器可并聯(lián)在一起，實現(xiàn)多點溫度測量；測量范圍為-55～+125℃，分辨率為±0.5℃；測量結(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 電池充放電電流測量

鋰電池充放電電流的測量相對比較簡單，考慮到放電電流很大，在此系統(tǒng)中采用了最高可測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 單體電池溫度測量原理圖

3 CAN通信設(shè)計

CAN總線是一種支持分布式實時控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(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)交換時產(chǎn)生沖突，采用請求/響應(yīng)的主從式數(shù)據(jù)傳輸方式。由上層CAN通訊節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求，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。

使用C8051F040作為系統(tǒng)核心，該型單片機(jī)中已集成CAN控制器，從而大大簡化了硬件設(shè)計。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；有完備的錯誤診斷功能；有自動重發(fā)功能[5]。

4 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

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)中存在多個采集模塊，為避免多個塊采集模塊在數(shù)據(jù)交換時產(chǎn)生沖突，系統(tǒng)通訊采用請求/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)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求，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。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)的出錯率。

在本系統(tǒng)中，選用高速CAN總線驅(qū)動器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，這樣既實現(xiàn)了CAN節(jié)點間的電氣隔離，又增強(qiáng)總線節(jié)點的抗干擾能力，提高了節(jié)點的穩(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，每塊采集板測量八路電壓和四路溫度[4]，使用中根據(jù)測量參數(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現(xiàn)，通過多次測量求平均值的方法，提高測量的準(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) 電壓測量：由于每塊板卡獨立采集電池運行參數(shù)并進(jìn)行處理，最多監(jiān)測電池數(shù)目主要由CAN總線通信協(xié)議及硬件通訊時間決定，單體電池電壓測量范圍為2.30～4.80 V，電壓測量精度為±0.01 V。

2) 溫度測量：溫度測量范圍為-25～+85℃，溫度測量精度為±0.5℃。

3) 電流測量：電流測量范圍為0～800 A，電流測量精度為±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

本文對鋰電池數(shù)采系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)分析。通過該系統(tǒng)為鋰電池實時監(jiān)控和充放電控制提供實時運行參數(shù)，對提高直流系統(tǒng)的安全運行、供電系統(tǒng)的可靠性和自動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)電池組電壓測量方法研究[J]. 電測與儀表, 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[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. 蓄電池總線檢測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(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)電源測控技術(shù)及船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)。