基于单片机的电动汽车蓄电池信息采集系统的设计

赵亚妮++闫刚印

摘要： 电池管理系统直接监测管理蓄电池的充放电过程，对电池组的安全高效运行至关重要。该纯电动汽车蓄电池管理系统由前端4个独立数据采集部分和1个中央处理机组成，数据经过预处理后通过处理器P87C591内配置的CAN总线传给中央处理机，系统实现了对采集部分的数据监测、分析处理、存储及故障报警等功能。样机实验表明，系统运行稳定，具有一定的应用参考价值。

关键词： P87C591； 电池管理系统； CAN总线； 电荷状态

中图分类号：TP311

文献标志码：A

文章编号：2095-2163（2017）04-0108-04

0引言

随着我国城市化进程的发展，以及目前对雾霾成因分析可知，矿物质燃料的使用成为大气污染的重要原因之一。对清洁能源的追求成为未来能源发展的重要方向。基于以上原因，纯电动汽车以其无污染、清洁无排放成为我国汽车重点发展的方向之一。蓄电池是电动汽车的关键技术，对电动汽车蓄电池组进行有效管理，提升蓄电池的质量对电动汽车发展十分重要。本文论述展开的电池管理系统是针对电动汽车蓄电池实验平台而设计研发的，能动态地跟踪电池组的实时状况，实现电池组的自动均衡，确保电池组安全高效运行。

1系统硬件设计

系统采用的是Philips公司研发的P87C591单片机作为微处理器，该处理器具有片内的CAN总线控制器和强大的A/D 转换功能。本文设计的电池管理系统构成如图1所示，系统采集对象是24节12 V风帆铅酸蓄电池组，4个独立的数据采集模块对6个单体电池进行数据采集，采集模块获得的实时数据通过内部总线上传给中央处理单元，中央处理单元监测系统整体的运行状态，同时完成单体电池电荷均衡控制。通讯单元借助CAN总线具体支持整个系统的数据传递任务，显示控制单元将数据传给上位机的同时，将通过总线获得的温度、电压、电流等信息显示在液晶显示屏上[1]。

1.1处理器选择

P87C591是MCS-51系列单片机家族的衍生成员之一，是高性能的内置有CAN总线控制器的八位微处理器。P87C591综合了微控制器P87C554和SJAIO00 的CAN的控制器功能。常用于工业过程控制及汽车领域，除此之外具有以下增强型特性：增强的CAN接收中断；扩展的验收滤波器；验收滤波器可动态变化。

微处理器P87C591主要用于设计执行对影响铅酸充电的温度、电压、电流等参数的监测任务。本系统检测对象為24节12 V铅酸电池，检测时划定4组分别进行检测，每6个单体电池构成一组检测对象，电池组由4个独立监测模块分别完成数据检测，检测获得的数据通过CAN总线上传给上位机，检测时单组电池信息集中检测，4组检测结果统一上传中央处理单元，数据统一处理，发挥了分布式系统和集中式系统的综合优势[2]。整个系统具有稳定性好、容易扩充、性价比高等优点。

1.2单体电压采集模块

P87C591处理器的额定电压为5 V，被测电池的端电压一般状况下为12 V，充电时最高可达到15 V，为了便于单片机测压，系统采用取样电容C和分压电阻R构成分压电路，取R1=2R，R2=R，电容的端电压yc可由三要素公式（1）计算获得：

yc（t）=yc（∞）+[yc（0+）-yc（∞）]e-[SX（]1[]τ[SX）]t[JY]（1）

根据已知条件可以计算出充放电时间常数τ1和τ2，并推算出采样所需时间小于等于0.01τ2，综合考虑A/D采样时间，可以得到：

τ1=[SX（]2[]3[SX）]τ2≥6.6 ms[JY]（2）

数据采样后经过A/D转换、单片机预处理后通过CAN总线上传给上位机，总的采样时间受以上各个环节的制约，经过计算可得到总时间约为50 ms。其中，τ2=10 ms，Cf=1 μF， R1=20 kΩ[3]， R2=10 kΩ。

1.3温度采集模块

温度传感器DS1820是美国Dallas半导体公司出品的数字化温度传感器。DS1820将检测温度的传感元件和转换电路集成在芯片内，报警温度和分辨率可编程设置并存储在EEPROM中，掉电后数据不会丢失，“一线总线”接口形式为用户组建传感器网络提供了便捷的接口形式[4]。本系统中的测量温度范围为-55 ℃～+125 ℃，在-10 ℃～+85 ℃范围内，DS1820的检测精度为±0.5 ℃，该系统采用DS1820独立供电的外电源方式组成多节点测温系统对24节电池巡回测温，本系统通过在模块上设置5位的拨码开关产生地址数据，单片机通过并口P2读入地址数据，识别对应的电池模块，测温系统连接示意则如图2所示。

1.4CAN总线通讯

在总线通讯系统中，由于单片机系统内部带有CAN总线控制器模块，只需总线收发器即可完成数据通讯。系统中选用82C250作为总线收发器，82C250不仅可以改善总线差动收发数据的表现，而且具有对抗汽车各种运行环境下瞬间干扰的能力。为了消除82C250总线收发器和CAN控制器之间的干扰，两者之间采用光耦6N137进行隔离，并且2个光耦6N137的电源也是独立的，这样使得整个系统的抗干扰能力和可靠性都得到了进一步提高。

CAN总线与单片机的连接图[5]如图3所示。

2软件部分

实验台电池管理系统的软件是在Windows98操作系统上用Vc6.0开发的，数据库采用Access数据库，包括数据采集模块和上位机主控界面两大模块，2部分通过嵌入式CAN控制器实现CAN总线通信，各部分均为模块化设计，并设置为不同档位的优先级别，便于调试和修改。

2.1前端数据采集模块

电池组电压数据采集部分的设计流程如图4所示，电压采集通过多路开关分时采集，每次采集电池电压、电流、温度三个变量。为了提高A/D转换的精度，滤除干扰数据、减少误差，一般会对采样数据采用某种算法进行处理，常用的方法有算术平均值法和中值滤波法。其中，算术平均值法是对采样数据求得平均值来达到降低误差的目的，该种方法对于脉冲信号带来的干扰不易处理，而中值滤波法需要多次采样才能效果显著[6]。对比上述2种算法的优缺点，本系统采用的抗干扰方法就是在对采样对象数次采样后，通过一定逻辑运算滤除干扰[7]。首先对采样对象进行4次原始数据采样，求出最后3次采样值的“或”，并将第1次采样值与后3次采样值运算结果求“与”作为最终值。[JP2]数据分析表明，该方法的数据采样量小、运算简单，基本上可以剔除去掉夹杂的干扰信号。[JP]endprint

2.2主控机软件设计

主控机主要任务包括以下3个方面：

1）接收数据采集模块发送的电压、电流、温度等采集数据，按照预定方法计算处理后，在液晶显示屏上给出显示；

2）监控采集数据是否达到报警值，若达到、则报警；

3）对异常数据进行记录存储，显示电池状态。

在主控模块中，各个模块的时效性和占用时间不同，其中检测模块要求实时性比较高，但是占用时间比较短，而通信模块需要传输大量的数据，占用时间比较长，但是实效性要求不高，这就需要对不同的任务根据实时性特点做出最优响应顺序安排，本系统根据各个模块实时性的要求，对模块进行优先等级划分，同等情况下，优先级别高的模块优先响应，在有限的资源条件下，保证系统的实时性最优[8]。运行时，则从对系统进行初始化开始，包括对单片机、CAN总线及显示屏等的初始化，然后根据各模块的优先级选择级别高的模块执行任务，并设置标识位，进入对应模块开启处理操作。运行过程

[LL]中，当遇到更高级别模块申请中断，跳转至高级模块，任务结束后，即返回当前模块继续工作。上位机主控板软件程序框架如图5所示。

3实验测试

为了检验测试数据的误差情况，针对电池组24节电池某时刻的电压进行实际测量。电池组采用三相全控整流充电模式，电容滤波，高压380 V/310 V，低压380 V/30 V。将实际手动测量值与数字采集系统的采集值进行对比，对比结果如表1所示，对24节电池的监测效果显示，2种方式获得电压值误差平均为0.05 v，采样精度基本达到了预期的性能指标要求，说明系统设计方案可行、且有效[9]。

4结束语

电池管理系统前端以温度传感器DS18B20采集单体电池信息，采用微处理器P87C591掌控数据处理，“桥电容”检测方法进行电压隔离采集，以集中-分布综合采集方式展开数据采集，利用CAN 总线来配置构建数据传输，上位机采用嵌入式工业级PC机，用VC开发了主控机程序，主控机与数据采集模块之间利用CAN的通信，完成数据的处理、存储、显示等任务。该系统能实时监控电池各个参数信息，并能实现异常报警。系统存在的不足：本系统目前的数据检测是在实验室中操作生成的，干扰信号相对较少，检测精度能满足设计要求，而实际车辆运行中会遇到更多的干扰信号，测量精度是否能达到要求不能确定；该系统只检测了3个基本参数，未对内阻进行检测；对数据也未采取引入深度分析，无法进行电池剩余电量的估算。

参考文献：

[1]安志胜，孙志毅，何秋生. 车用锂离子电池管理系统综述[J]. 电源技术，2013，37（6）： 1069-1071.

[2] 杨书华，邹鹏，石文荣，等. 锂离子电池管理系统研究[J]. 电源技术，2015，39（12）：2593-2594，2724.

[3] 张卫钢. 純电动试验车及其相关技术研究[D]. 西安：长安大学，2005.

[4] 宋炳雨，高松，钟磊，等. DSl8B20温度传感器在电动汽车电池管理系统中的应用[J]. 山东理工大学学报（自然科学版），2010，24（5）：82-85.

[5] 盖晓东. 基于三单体直接均衡电路的串联储能电源组均衡技术研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.

[6] 沈丹. 电动汽车电池组单体电池管理系统的研究[D]. 上海：同济大学，2008.

[7] 雷晶晶. 动力锂离子电池组管理系统的研究[D]. 长沙：湖南大学，2011.

[8] 李仲兴，余锋，郭丽娜. 电动汽车用锂电池组均衡控制算法[J]. 电力电子技术，2011，45（12）：54-56.

[9] 赵亚妮，高继，熊建芳. 电动汽车蓄电池性能智能分析试验台[J]. 仪表技术与传感器，2012（1）：78-79，110.endprint