基于NEC单片机的电池管理系统数据采集

周 彬，任传波，甄小勇，杨治学

（山东理工大学 交通与车辆工程学院，山东 淄博 255091）

制约电动汽车发展的关键在于电池，因此能够使电动汽车正常运行的电池组显得非常重要.虽然当前电池的生产技术在不断进步和改善，但电池组的正常高效运行还存在一定问题.电池组是由大量单体电池串联而成［1］，当充放电时，由于单体电池之间存在性能和工作环境差异，个别电池会出现过充、过放，甚至提前损坏等情况，从而使整个电池组的性能受到影响，降低其它单体电池的循环寿命和性能，为电动汽车埋下安全隐患.电池管理系统（BMS，Battery Management System）可以实时监测电池组当前运行状态的电压、电流和温度等重要参数，利用检测到的数据进行SOC估算，判断电池组是否存在过流、过放、过充和温度异常等状况［2］.

1 电池管理系统

图1为所设计的基于NEC－uPD78F0513D的电池管理系统结构示意图，主要包括信号采集、处理及输出3部分.在主芯片uPD78F0513D的控制下，系统可以实现同时对多个单体电池进行电压采集、电流采集及温度采集.还可以通过对采集到的各电池信息进行分析处理，得出当前电池组的工作状况是否处于过充、过放、过流或者温度过高等异常情况，从而进行数据显示或报警提示，并采取相应措施.

目前电池管理系统的难点和关键技术主要有:（1）电池热管理技术；（2）数据采集精度；（3）SOC估算值的精度.本文重点介绍数据采集模块.

图1 电池管理系统结构示意图

2 BMS数据采集

数据采集是整个系统的基础部分，也是最重要的部分，数据的精度直接影响着整个系统后期的各种估测和判断.电池管理系统采集到的电压、电流和温度等信息是衡量整个电池组当前运行状态的标准，本次设计的电池管理系统的各采集部分如下.

2.1 电压采集

电池电压采集硬件电路主要包括4部分:差分电路、模拟多路选择开关电路、隔离电路以及外部AD转换电路.分为4部分对电压进行采集是因为考虑到了以下几点:电池组一般为多个单体电池串联而成，因此需要多路选择开关对各单体电池进行排序，依次检测转换，图2为本系统多路选择开关电路，配合软件可以实现；由于电动汽车上存在复杂的电磁场，因此采用隔离电路减少对单片机的干扰，提高准确度；采用差分电路同样也具有隔离作用，而且还由于其输出端阻抗小，能够提高驱动能力［3－4］；由于单片机A／D口资源的限制以及为降低单片机的工作强度，引入了外部A／D转化电路.电池电压采集过程如图3所示.

图2 模拟多路开关电路

图3 电池电压采集过程

2.2 电流采集

当前市面上的电流传感器主要有霍尔电流传感器和采样电阻两种.霍尔电流传感器的原理是利用霍尔元件检测电流经过导线时产生磁场强度，进而产生霍尔电压信号.根据电池管理系统对所用电流传感器的特殊要求，最终选择了CSM300B系列霍尔电流传感器.

CSM300B输出的是电流值，因此需要外接一个测量电阻Rm，从而获取电压信号值，然后经过差分滤波电路，之后被送到单片机的AD转换口上，进行数据的处理分析.该电流获取电路如图4所示.

图4 电流获取电路

CSM300B可以测量0～±400A的电流，Rm是事先选好的定值电阻（0～20Ω），单片机获取的电压值为Ui.实际电流值计算公式为

2.3 温度采集

一个好的电池管理系统，一定要有一个良好的热管理系统，只有使电动车动力电池组始终处于一个合适、均匀的温度环境中，才能提高电池的使用寿命和性能［5］.当电池组中各单体电池温度差异较大时，会使电池内部产生不同的压力，从而引起电池组中电池电压不均衡，这样会影响整个电池组的性能，降低电动汽车动力性能严重时会引发电动汽车的安全问题.

本次采用了具有易安装、测量精度高和测量电压范围广等优点的DS18B20传感器，其温度获取电路及DS18B20实物图如图5所示

图5中，1.GND为电源地；2.DQ为数字信号输入、输出端；3.VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）.

图5 温度获取电路及DS18B20实物图

3 系统综合调试及运行结果

本次程序开发使用C语言进行编写，编写和调试环境使用的是瑞萨公司（原NEC公司）提供的配套软件PM plus，使用配套软件QB－Programmer通过烧写工具MINICUBE2将程序写入单片机中.在开发过程中还使用了ID78K0－QB进行程序的片上仿真调试［6］.

将编写好的程序刷入本次电池管理系统硬件电路板中，进行综合调试和运行.其主程序流程图如图6所示.

图6 系统主程序流程图

使用本次设计的电池管理系统对7节某品牌镍氢电池进行数据采集测试，首先将电池充满电后放置一小时，然后连接该BMS通电进行测量.7节电池电压分别标记为A～G，外加环境温度标记为H，BMS测得的数据通过LCD12864显示屏显示.使用万用表测量每一节电池电压并记录，使用激光温度传感器对电池表面进行温度测量为28.2℃，本系统测得温度也为28℃.

表1 实验数据对照表

由实验数据分析得，BMS的数据采集模块采集的电压和温度数值与万用表、激光温度传感器所测数据基本一致，因此测量结果较精确.

4 结束语

本文介绍了基于NEC－uPD78F0513D的智能电池管理系统数据采集部分的采集电路和数据采集方法，并通过试验验证了本电池管理系统具有数据采集精确度高、采集稳定可靠等特点.为整个系统的实现奠定了良好的基础.

［1］张治国，孔庆，崔纳新.电动汽车电池组监测系统的设计［J］.电源技术，2011，35（10）:1224－1226.

［2］杨虎，杜常清，颜伏伍.高精度动力电池组电压采集单元设计［J］.电源技术，2011，35（10）:1221－1223.

［3］刘松柏，姚晓阳，吴正平.差分滤波电路在机车直流电压信号采集中的应用［J］.机车电传动，2010（6）:27－30.

［4］黎继刚.锂离子动力电池管理系统的研究与实现［D］.杭州:浙江理工大学，2010.

［5］Oliver G，Steven C.Optimizing electric vehicle battery life through battery thermal management［R］.SAE，2011.

［6］NEC.78K0／KC2［Z］.Japan:NEC Electronics Corporation，2005.