鄧鵬程，劉 斌，魏克新

(天津理工大學，天津市復雜系統(tǒng)控制理論及應用重點實驗室，天津 300384)

0 引言

近年來，電動汽車作為解決能源、環(huán)境問題的一個重要發(fā)展方向得到了大力發(fā)展，而動力電池作為電動汽車的重要組成部分，一直是制約電動汽車規(guī)模發(fā)展的技術瓶頸。據統(tǒng)計，使用3年以上的動力電池有 0.1% ～1%失效［1］。因此有效地監(jiān)控和管理電池便尤為重要。而精確實時檢測電池各項參數，是有效管理電池的基礎。其中電流參數的檢測尤其重要，不僅是因為電流參數的測量準確性直接影響電池SOC估算的準確性，而且電流在電動汽車運行的一系列過程中變化很大，從靜止狀態(tài)下的mA級，到平穩(wěn)運行時的工作電流在幾十A之間，再到車輛啟動或短時加速時過百A的電流，所有這些都必須精確檢測出來［2］，這就對電流檢測的范圍和精度提出了很高的要求，需要一種寬量程高精度的監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)原理

為了精確和實時地檢測動力電池電流數據，并進一步實現對電池的可靠管理，設計的電流監(jiān)測系統(tǒng)采用智能電池傳感器MM912J637作為電流監(jiān)測系統(tǒng)核心，負責實時數據的采集;采用MC9S12XS128單片機為監(jiān)測系統(tǒng)主控芯片，負責數據的接收，共同組成了高精度動力電池電流監(jiān)測系統(tǒng)。電流檢測單元與主控芯片之間采用LIN通信，監(jiān)測數據結果由主控芯片進行相應的處理，并可以通過RS232總線在上位機上實時顯示，系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

目前電流檢測方式主要有2種:電阻分流法和霍爾傳感器法。在電動汽車這一特殊應用場合中，電阻分流法比霍爾傳感器法更具有優(yōu)勢，霍爾傳感器體積較大，線性和溫度特性不理想，在測量范圍低端的線性度很難保證，因此本系統(tǒng)采用的是分流電阻法檢測電流?？紤]到在大電流情況下的功耗問題，系統(tǒng)采用的是100 μΩ極低阻值分流電阻，該精密電阻采用錳銅合金制作，具有很低的溫度系數和熱電動勢，同時極低的阻值也減少了測量過程中的功率損耗。

1.2 LIN總線通信協(xié)議

LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網絡，LIN的目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能，在智能傳感器、汽車制動器等得到較廣泛的使用。在LIN總線上發(fā)送的信息都是由報文幀格式發(fā)送，一個完整的報文幀如圖2?？偩€的通訊由單個主機控制，每個報文幀都用一個同步間隔起始，接著是一個同步場和一個標識符場，這些都由主機任務發(fā)送;從機任務則是發(fā)送數據場和校驗場［3］。

圖2 LIN報文幀

在電流監(jiān)測系統(tǒng)中，MC9S12XS128作為主節(jié)點，MM912J637作為從節(jié)點。為了保證數據的完整性和準確性，系統(tǒng)LIN通信采用了增強型校驗和，將數據場各字節(jié)和標識符作為校驗對象，將校驗對象的各字節(jié)做帶進位二進制加法計算，并將最終的和逐位取反作為發(fā)送的校驗和。

2 硬件設計

2.1 電流檢測單元設計

電流檢測單元以飛思卡爾電池傳感器MM912J637為核心，該芯片是用于汽車電池監(jiān)控的高集成度智能傳感器(Intelligent Battery Sensor，IBS)，可以同時高精度測量電池電流和電壓以及其他參數，工作溫度范圍寬達－40～125℃。芯片內部集成S12微控制器，這使得測量數據的處理、存儲以及傳輸等功能可以在本地完成。片上集成了LIN 2.1接口，可實現電池監(jiān)測功能的通信和控制［4］。MM912J637和一般的汽車電池檢測方案相比，這個芯片的最大特點就是高度集成，它內部集成了濾波器、自動控制的PGA等，這樣采用專用硬件模塊承擔軟件的任務，不僅降低了軟件的復雜性，也使得測量的結果準確且實時。

檢測單元電路原理圖如圖3所示，其中CON1為電壓檢測預留端口，CON5和CON6為芯片供電的正負端，CON2和CON3是電流檢測輸入端，CON4為LIN通信端口，CON9是BDM調試接口，通過BDM接口完成程序的下載和調試。

MM912J637芯片外部電源供電電壓范圍較大，為3.5～28 V，因此可以直接向芯片供電端口VSUP提供汽車級的12 V電壓而無需其它的電壓轉換電路。芯片通過防反接二極管D1與12 V電源相連，C8與 C9是電源退耦電容，容值分別為4.7 μF和100 nF ISENSEH和ISENSEL為電流檢測信號的輸入端。分流電阻和電容C1、C2、C3構成外圍電流檢測電路。測量電流經過分流電阻產生mV級壓降，為了改善檢測電路的電磁兼容特性加入了 C1、C2、C33個電容，取值都為100 pF。

圖3 電流檢測單元接口電路

為了提升整個測量電路的電磁兼容特性，系統(tǒng)采用多點接地降低地線阻抗;數字地與模擬地分開最終單點接地，以消除地電路經過公共阻抗產生的干擾。并且內部模塊的不同供電電源 VDDA、VDDH、VDDX 分別外接了退耦電容 C6、C12、C14，取值分別為 47 nF、1 μF、220 nF。

2.2 主控單元設計

主控單元即LIN通信的主節(jié)點選用飛思卡爾系列單片機MC9S12XS128MAL為主控芯片，該芯片是針對汽車電子市場的高速低耗16位單片機，具有豐富的片上資源，其中包括1個MSCAN模塊，2個支持LIN協(xié)議的的異步串行SCI接口，1個串行外設SPI接口［5］。因此僅需在該CPU的基礎上配置少量外圍電路即可實現LIN通信主節(jié)點的功能，不僅簡化了系統(tǒng)復雜度，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。設計的主控單元的接口電路如圖4所示。

圖4 主控單元接口電路

汽車內部電源一般提供的電壓為12 V直流，而主控單元控制芯片的供電電壓為5 V直流，因此，系統(tǒng)采用LM2940穩(wěn)壓芯片提供穩(wěn)定的5 V電壓。

其中MAX232芯片是專為RS232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，利用該芯片實現單片機與電腦串口之間的電平轉換。TJA1020為LIN收發(fā)器，是LIN主/從協(xié)議控制器和LIN物理總線之間的接口，控制器發(fā)送的數據流通過 LIN收發(fā)器轉換成 LIN總線信號，它的接口電路如圖5所示，主控單元MC9S12XS128中的SCI0模塊中的TXD0和RXD0分別連接到相應的TJA1020的TXD和RXD端，收發(fā)器在LIN總線的輸入引腳檢測數據流并通過引腳RXD發(fā)送到主控單元，PM6用于TJA1020的使能和工作模式控制。

圖5 LIN總線接口電路

3 軟件設計

基于CodeWarrior V5.1軟件開發(fā)平臺，對監(jiān)測系統(tǒng)的軟件分別進行了開發(fā)。采用模塊化的軟件設計，將軟件分成相對獨立的微處理器初始化模塊、數據補償設置模塊和LIN總線通信模塊3個功能模塊，并為各模塊安排適當的入口和出口參數，使得模塊之間的相互連接和修改靈活方便。電流檢測單元和主控單元的軟件流程分別如圖6和圖7所示。

初始化模塊主要是根據需要設置MM912J637芯片相應的測量功能，配置集成的MCU的各初始值。在此程序中設置鎖相環(huán)PLL頻率為65.636 MHz，總線頻率為32.768 MHz;同時芯片設置為自動增益控制，采樣頻率為4 kHz。

數據補償設置模塊是為了確保器件在較寬的溫度范圍均有較高的測量精度，MM912J637電流采集通道設有增益補償和偏移補償環(huán)節(jié)，補償值在廠家對器件最后測試時，存儲在閃存中的信息存儲區(qū)(IFR)中。在器件啟動時，各調整參數由軟件寫入到器件的相應寄存器中。

LIN總線通信模塊包含主節(jié)點和從節(jié)點的軟件設計。在此模塊設計中先進行SCI端口標志位等參數的初始化。然后主節(jié)點負責向從節(jié)點依次發(fā)送間隔場、同步場和標識符場，之后等待從節(jié)點響應數據的狀態(tài)，接收到數據后相應地修改狀態(tài)標志位并通過串口發(fā)送給上位機顯示;從節(jié)點負責發(fā)送幀的應答，采用中斷的方式來接收LIN報文頭并響應，MM912J637只要檢測到間隔場就會進入中斷服務程序，因此將相應控制程序放入中斷服務程序，根據接收到的幀ID判斷是否發(fā)送報文，即將檢測到的數據反饋到數據場中，發(fā)送給主節(jié)點。

4 實驗測試與分析

為了驗證電流監(jiān)測系統(tǒng)的性能，搭建了一個由動力電池和電子負載組成的電流放電測試平臺，系統(tǒng)的12 V供電則由直流穩(wěn)壓電源提供。其中動力電池采用的是單體鋰電池(標稱容量為11 Ah)，采取的是4節(jié)單體并聯(lián)的連接方式;電子負載采用的是IT8812C可編程電子負載(120 V/60 A)，在定電流模式下能達到±0.05%的相對測量精度，可以作為測試時比對的標準電流。

4.1 測試結果的線性程度

利用搭建的電池放電平臺，測試了50 A內的20組數據(室溫26℃)，測試結果如表1所示，測試結果的分辨率為1 mA，相對誤差均在1.5%以內，在小電流的情況下，測試結果也保持了較高的精度。

表1 測試數據與標準值對照表

圖8是測試結果與標準電流值的關系曲線，經最小二乘法線性擬合后得到的擬合直線斜率為1.002，截距為11 mA，由此可看出系統(tǒng)在整個測量范圍內都具有良好的線性度。

圖8 測試結果的線性度

4.2 測試結果的重復性

將系統(tǒng)分別在5 A、10 A、20 A的電流下進行150次測量，來驗證測試結果的可重復性，圖9分別是5 A、10 A、20 A電流放電的測試的結果圖，在3種情況下的測試結果的標準偏差分別為18 mA、20 mA、20 mA，測量結果的標準偏差較小，具有較好的可重復性。

4.3 測量速率測試

圖10為監(jiān)測系統(tǒng)LIN通信的波形，從波形中可以看出一個完整的報文幀傳輸時間為7.5 ms左右，再加上檢測芯片的A/D采樣和處理周期(0.5 ms以內)，系統(tǒng)的數據采樣周期應在8 ms左右。為了驗證系統(tǒng)測量的速率，利用電子負載構造了一個尖峰電流，尖峰電流的上升和下降斜率都為1 A/ms，該電流在尖峰處有一個3 ms穩(wěn)定時間，脈沖電流分別設置為1～10 A、1～20 A、1～30 A，相應的尖峰電流持續(xù)時間分別為21 ms、41 ms和61 ms，如表2所示，在這3種情況下分別測得了尖峰電流的3個，5個和8個數據，這也證明了系統(tǒng)的數據采樣周期接近8 ms，這樣的測量速率能夠滿足對于電動汽車突變電流的有效監(jiān)測。

圖9 5A、10 A、20 A 150次重復測量結果圖

圖10 LIN總線波形圖

表2 尖峰電流測試結果 A

5 結束語

設計了基于智能電池傳感器MM912J637和單片機MC9S12XS128，采用LIN通信的動力電池電流監(jiān)測系統(tǒng)。經測試表明該系統(tǒng)具有小于1.5%的相對誤差，接近8 ms的測量速率，較好的測試可重復性，能夠滿足對于電池相關數據采集的精度和實時性要求，同時也為進一步的電池荷電狀態(tài)(SOC)的估計提供了硬件平臺及軟件接口基礎，具有良好的功能擴展性。

［1］徐朝勝，閆改珍.以智能傳感器為核心的動力電池監(jiān)測終端設計.電源技術，2013，37(4):569 －571.

［2］楊潤宇.寬量程高精度電池數據采集系統(tǒng)的研究:［學位技術］.北京:北京交通大學，2012.

［3］朱文成.基于LIN總線的數據采集:［學位論文］.長春:吉林大學，2007.

［4］Freescale Semiconductor.Xtrinsic Battery Sensor with LIN for 12V Lead －acid Batteries.［2014 － 03］，http://www.freescale.com/webapp/

［5］Freescale Semiconductor.MC9S12XS128 Reference Manual.2008 －06 －18］，http://www.freescale.com/

［6］吳志勇，田佳平，李盤靖，等.電車蓄電池充放電參數實時檢測系統(tǒng).儀表技術與傳感器，2013(9):55－57.