动力电池系统数据采集系统.docx

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动力电池系统数据采集系统

摘要

随着石油等化石燃料的日益枯竭、环境问题越来越严重及人们环保意识的逐渐增强,准绿色新型产品—混合动力汽车登上历史舞台,电池是电动汽车的动力，也是电动汽车的关键部件，也是制约电动汽车发展的关键，新能源动力电池产业随同动力汽车获得飞速发展.制约电动汽车发展的重要因素之一是：

1、动力电池的使用寿命和安全性；2、动力汽车的生产成本.动力电池的使用寿命能大大降低动力汽车的生产成本。

电池管理系统即BMS通过测量电池组工作时其电压、电流、温度等对电池组进行监测，保证电池组的工作运行良好高效,从而保证整个系统的正常运作。

本文介绍了以飞思卡尔单片机MC9S12XS128为主控单片机芯片，通过传感器DS2438对动力电池组进行电池电压、电流、温度测量、完成AD转换，STC89C52单片机对DS2438传输过来的数据进行读取和处理，通过CAN总线传输到主控单片机MC9S12XS128,MC9S12XS128单片机通过读取的数据完成对电池的SOC状态估计，同时,主控芯片将读取的数据通过RS232串口通信传输到VB界面显示。

在系统的设计过程中，为建立简单有效的系统，需要建立良好的电池内部模型，以便于对系统做Simulink系统仿真时，主控单片机芯片对电池做SOC状态估计。

关键词DS2438STC89C52飞思卡尔单片机MC9S12XS128VB人机界面

ABSTRACT

Withtheincreasingdepletionofoilandotherfossilfuels，environmentalissuesbecomemoreandmoreseriousandthegradualincreaseoftheawarenessofenvironmentalprotection,newquasi—greenproducts—hybridcarswillbeonthehistoricalstageandthebatteryisnotonlythepowerofelectricvehicle，butalsoakeycomponentoftheelectriccar。

Atthesametimeitisthekeytorestrictingthedevelopmentofelectricvehicles，newenergypowerbatteryindustry，alongwiththedevelopmentof。

electricvehiclerapid。

Animportantfactorrestrictingthedevelopmentofelectricvehiclesarebatterylife，securityandelectricvehicleproductioncosts。

Thelifeofthepowerbatterypoweredvehiclescangreatlyreducethecostofproduction.

BMSbatterymanagementsystemsworkbymeasuringthebatteryvoltage，current，andtemperaturemonitoringofthebatterypack.Sothatthebatterypackcanensureagoodandefficientoperationofthework，soastoensurethenormaloperationofthesystem。

ThispaperintroducestheFreescaleMCUMC9S12XS128asthemaincontrolchipmicrocontrollerthroughthesensorDS2438batterypackforbatteryvoltage,current，temperaturemeasurement，thecompletionofADconversion，STC89C52DS2438microcontrollertoreadthedatatransmittedandprocessedthroughCANbustothehostmicrocontrollerMC9S12XS128,MC9S12XS128microcontrollerthroughthereaddatatocompletetheSOCofthebatterystateestimation，whilethemasterchipwillreadthedatathroughtheRS232serialcommunicationtransmittedtotheVBinterfacedisplay。

Inthesystemdesignprocess,inordertoestablishasimpleandeffectivesystem,theneedtoestablishagoodbatteryinternalmodel，inordertomakethesystemSimulinksystemsimulation,thehostmicrocontrollerchiponthebatterydoSOCstateestimates。

KeywordsDS2438STC89C52FreescalemicrocontrollerVBinterface

第一章绪论

1。

1课题研究背景

自从英国工业革命开始,煤炭等不可再生的化石能源逐渐代替了传统能源，汽车也逐步取代传统的交通工具，在人们的日常生活中占据越来越重要的。

然而,随着世界范围内人类无节制的开采与使用，煤炭、石油等化石燃料逐渐匮竭，能源危机正在加剧，与此同时，科学技术的不断进步与提高，人们的环保意识逐渐增强，环境问题越来越严重，都促使人们去寻找一种更加符合现代化社会需要的新型能源,取代旧的传统燃料电池为汽车提供动力。

因此，世界范围内，传统的燃料为动力的汽车逐渐被人们所淘汰，动力电池产业获得了发展的新的转折点，有了质的突破;而新型的以动力电池为动力驱动的动力汽车也获得了各国汽车行业的领头人的重视，飞速的发展，混合动力汽车和纯动力汽车逐步走向人们的视野与生活。

1886年德国制造了世界上第一辆汽车，不过百余年历史，全球范围内汽车保有量已达到7亿辆,汽车逐步取代其他交通工具，与人们的日常生活与工作息息相关.然而众多内燃机汽车（ICEV）每天排放的污染是全球气候变迁的重要原因之一，与此同时，石油资源的逐渐匮乏也使得汽车行业面临严峻考验.因此，因此，汽车行业领头人逐渐意识到研究开发以可再生能源作为动力驱动如酒精，太阳能等的新兴动力汽车是汽车行业发展的必然趋势，也是形势所迫。

在这种情况下，混合动力汽车及纯动力汽车以其独特的高性能,环保绿色无污染受到人们的青睐。

1.1。

1混合动力汽车国内外发展现状

所谓新型动力汽车即是以可再生能源作为全部或者部分动力驱动的汽车，主要也即是电动汽车。

电动汽车目前主流的有三种：

1、是以传统的燃料电池如镉电池等作为动力驱动的传统动力汽车；2、同时能够使用燃油和动力电池作为动力驱动的混合型动力汽车；3、全部以新型动力电池作为动力驱动的纯动力汽车。

然而，尽管近几十年以来，尤其是进入二十一世纪以来世界范围内的经济与科技获得了飞速发展，动力汽车行业并未能取得较大的突破，纯动力汽车并没能够批量生产，反而，混合动力汽车有了重大突破。

毫无疑问，各国的汽车行业的领军企业在各个国家政府的支持下,凭借着远超同行的科学技术，在新兴动力汽车行业先后取得突破，纯动力汽车和混合动力汽车逐步取代了传统燃料电池为动力的动力汽车。

1893年,波舍尔公司也即现在的保时捷公司的创始人费尔南德·波舍尔造出了世界上第一车用电动马达，1898年制造出了两轮电动汽车即保时捷.目前世界范围内,动力汽车特别是纯电动汽车技术发展较为成熟，技术远超同行的的几个国家美国、日本及德国这几个国家,而只有日本的本田汽车公司和丰田公司能够实现混合动力汽车的批量化生产销售，主导着世界上混合动力汽车市场形势；反观美国，三大汽车公司通用、福特、克莱斯勒—戴勒姆公司相较于日本汽车公司的蓬勃发展在混合动力汽车和蓄电池电动汽车行业则显得有些萧瑟,技术落后很多，仅仅实现了小批量生产。

我国的动力汽车行业起步较晚，但是国家和政府投入了大量的人力、物力、财力用于自主研发拥有自己品牌的动力汽车，我国电动汽车项目实施以来在燃料电池动力汽车和混合动力汽车方面均取得了重要突破。

纯动力汽车已经通过国家的相关体系认证,实现了小规模批量生产；混合动力汽车方面实际生产后动力性能方面接近理论值,在污染气体排放方面降低很多。

1.1。

2电动汽车发展面临的问题

虽然目前国际汽车市场上已有部分公司实现了混合动力汽车的规模化批量生产,但是相对于大多数消费者而言,现有的混合动力汽车无论是在性价比还是车辆性能方面,远远无法满足市场需要,主要是以下几个原因：

1、电动汽车的行驶里程有限，无法满足长远距离形行驶要求；2、市场油价过高，由于石油资源的日益枯竭，国际油价始终居高不下;3、电动汽车的动力电池系统使用寿命过于短暂，电动汽车电池管理系统随着电池的损耗，要实时的监控电池的相关信息,缺乏优秀的电池管理系统保障系统的高性能运行;4、电动汽车价格过高，目前市场上投入的电动汽车,由于电池管理系统的研发费用过高,电池使用寿命短暂以及设计的相关技术原因致使电动汽车价格偏高。

车载数据采集系统应用的另一个重要方面是车辆运行工况记录仪,又称汽车“黑匣子”。

随着科学技术的飞速发展，美国、欧洲相继不断推出性能优良的车载数字式记录仪,其功能也日趋完善.美国国家运输安全委员会一直在强烈要求汽车生产厂商安装记录仪，在它的推动下GM、FORD等大公司已为数百万出厂车安装了行车记录仪。

日本汽车研究所研制出的“黑匣子”不仅能够记录车辆事故发生的各种数据，而且它还能自动收入事故发生前10秒和后5秒之间从驾驶室看到的画面.在我国随着汽车电子工业的不断壮大，在车载记录仪产品方面也有大的发展，由北京森泰克数据通信技术有限公司研制的“绿匣子”多功能汽车行驶监控记录仪,通过了公安部交通安全产品质量监督检测中心和公安部安全与警用电子产品质量检测中心的严格测试，并已正式投入使用。

1。

2电池管理系统BMS在国内外的发展

BMS也即动力电池系统数据采集系统的工作原理是通过对动力电池组进行实时监测，从而将检测的动力电池工作电流、各单体电池电压、电池组运行过程中总电压及电池工作时表面温度等电池相关信息采集并处理,并将采集到的数据传输到预处理单片机芯片中，预处理单片机对数据进行处理和分析，根据温度、电压、电流传感器检测的信息、分析结果，从而对系统各模块发送相应的控制指令，从而实现对于电池组的实时监控，并且将处理后的实时数据显示在人机界面，保证电池组的正常高效运行。

制约电动车发展的主要因素之一是动力电池的使用寿命及安全性和使用成本问题，而电池的使用寿命是降低成本的重要途径之一。

为保证动力电池在正常使用的过程中,能够高效稳定的为电动汽车提供动力，降低动力电池由于内部各物质成分之间发生化学变化，造成的电池结构的损坏而导致的寿命，从而降低动力汽车的生产使用成本，从而需要对电池进行良好的管理和维护，从而延长其使用寿命，为此,世界各国汽车行业的领军企业均投入了大量人力、物力、财力对电池管理系统进行研究开发.美国三大汽车公司均将电池管理系统作为技术研发的工作重点。

目前国内外电动汽车数据采集系统普遍存在的问题是数据采集的可靠性和抗干扰性问题。

由于电动汽车数据采集要求其硬件装置稳定性好，便携性好，同时其工作环境的复杂也给数据采集工作提出了较高的要求，系统的抗震性，抗干扰性以及对数据的存储能力、系统综合性能等都是需要考虑的重要因素.

1.3设计总体方案的确立

动力电池系统数据采集系统通过温度、电压、电流数字传感器DS2438完成对于电池组充放电电流各单体电池电压、电池正常工作时表面温度、及电池组供电总电压的测量，完成AD转换,在DS2438内部完成光电耦合隔离,传输到STC89C52单片机预处理,STC89C52单片机预处理后的数据经由CAN总线传输到MC9S12XS128主控单片机芯片，主控单片机完成最终数据的反馈,各控制指令的发送，控制各模块完成动力电池系统的监控反馈工作，必要时显示在人机界面，其控制系统图如图1—1所示。

图1-1数据采集系统

1。

4小章总结

本章主要介绍了一些关于动力电池系统数据采集系统的相关信息主要由以下内容：

1）动力电池系统数据采集系统相关课题的研究背景；

2）混合动力汽车的发展历程及现在国内外发展现状及现在面临的问题；

3）电池管理系统BMS在国内外的发展现状;

4）课题最后的方案的确立，将别业设计设研究的课题的相关内容的大体框架勾勒了出来。

通过本章关于动力汽车系统数据采集系统的一些信息的简要介绍,明确了课题研究的重点与难点，为后续的相关工作明确的方向.

第二章系统方案的确立

动力电池系统数据采集系统数据所需要的硬件模块主要有传感器模块、光电耦合隔离、数据采集部分处理器、主控单片机芯片及数据传输通信模块五个模块构成，下面将对这五个部分分别进行论证和确立最终方案。

2。

1传感器

在前期做开题报告时选择了两种可选方案:

一种是采用分立式数据采集，即各电芯电压值、总电压值、充放电电流值以及温度信息分别采用不同传感器。

另一种是新一代智能电池监测芯片DS2438对动力电池系统电压、电流、温度进行统一测量。

通过对这两种方案做深入的对比分析以确定最终的方案。

方案一：

DS18B20对温度的测量；霍尔电流传感器采集电流信号；基于底层ECU的电压测量。

DS18B20是一种新型的智能温度传感器。

其具有的特点：

1、在实际的温度测量系统中可以串联使用多个DS18B20并联使用；2、负压特性,即使当供电电压源极性接反时,温度测量模块不会被烧毁,但是不能正常使用;3、支持多点组网功能；4、能够通过编程的方式实现数字式读写；5、使用者可以根据实际需要自行设定温度警戒上下限；6、可以通过串行通讯线USB可以给DS18B20供电，7、采用单总线实现了传输数据到微处理器；8、在实际使用时不添加别的外围元件也能单独使用。

霍尔电流传感器（以下简称传感器）的特点[1]：

（1）DS18B20内部采用的是补偿测量温度，因此具有优于一般传感器的精确性和线性度；

（2）和别的普通的电流传感器一样,DS18B20的输入和输出之间内部自带有光电隔离电路,不需要搭建外围隔离电路；（3）传感器磁路几乎是零磁通工作，在正常运行传输瞬时采集数据时补偿工作，所以传感器是无电感性的元件；（4）DS18B20本身是一个闭环回路系统，所以能够不失真的传输电流信号。

每种传感器都可以精确的实现数据采集，而且都具有较好的抗干扰能力。

但使用分立式数据采集存在电路结构复杂，处理器负载大，检修困难等缺点。

方案二：

使用新一代智能电池监测芯片及温度电压电流传感器于一身的传感器DS2438对电池电压、电流、温度进行统一测量.

DS2438具有功能强大、性能优越、高度集成化、硬件电路接线简单等优点，能够自动采集动力电池电压，电流和温度等实时参数，并将这些易失型数据放在内部集成的EEPROM存储空间中，STC89C52单片机根据需要发出命令读取这些参数，然后处理这些参数，显示电池的工作运行状态。

与方案一相比具有如下特性[2]：

（1）通过一条单总线与单片机进行通信，避免了由于电池组数量线路的紊乱；

（2）DS2438内部自带有数字温度传感器，从而减少相应的数模转化接线排布；

（3）DS2438内部自带有电压电流温度AD转换，能够识别充放电流是否完成;

（4）DS2438内部集成有积分电流累加器，能够对于动力电池的充放电电流相关信息予以实时记录,从而为MCU为电池做SOC状态估计片；

（5）4个字节的历时计数器；

（6）DS2438内部集成有40个字节的EEPROM用于存放非易失性的动力电池相关信息，如动力电池的相关参数等。

相对比于DS18B20，DS2438最大的特点是其灵敏度较高,而DS12B20其测量灵敏度±0.5℃，而在电池组工作运行时，由于电池表面温度变化范围较小，±0。

5℃远远不能满足系统所需.

综上所诉，方案二在实用性、功能、成本等方面都优于方案一，故我们确定使用DS2438作为本项目的数据采集传感器。

2。

2光电隔离

在实际的动力电池系统数据采集系统中，由于常常需要采集多处电池的相关信息,而且电池所在的地方往往处于高电压周围,因此,需要采用总线结构完成相关数据的传输工作，但是在数据的传输过程中需要避免输入与输出之间的相互干扰，同时又不能影响信号的传输速率，因此一般来说都是采用光电耦合隔离处理,较为常见的是6N137/6N138予以控制系统的光电隔离。

光电隔离是通过将发光二极管和光敏三极管集成于一体，利用发光二极管的伏安特性和光敏三极管的伏安特性的组合完成中间电-光—电的相关信号转换,从而实现输入和输出信号的隔离，避免了输入和输出信号的相互干扰。

利用光电耦合隔离对本项目中的模拟输入输出数据、数字输入输出及通讯进行隔离处理，使测控、处理装置与现场信号之间,人机交互处理中心所在的弱电和动力电池组所在的强电之间仅仅保持信号的传输，不直接发生电气的联系,从而可以保证系统运行更加稳定。

6N136同时具有电压、电流和温度补偿功能，同时，6N136采用高度集成化，抗干扰能力强,数据传输速度快,信号不失真等优点,可以很好的满足本系统的要求,所以采用6N136或6N137作为本系统光电耦合器件。

但是在使用的过程中，需要注意的是光电耦合隔离对于动力电池系统电流的传输速率较低，因此选取光电隔离时光敏三极管的负载电阻阻值需要适宜,既不影响输出的电压的幅值，同时保证了数据的传输速率。

2。

3数据采集部分处理器

数据采集中所用单片机需要对数据进行A/D值的换算、数据辨别分类处理和与总线进行数据交换，拟采用51单片机。

因确定采集系统采用DS2438，其片内自带A/D转换器，故数据采集单片机仅需完成数据辨别分类处理和与总线进行数据交换。

所需单片机无需太过高级，其稳定性更为重要。

51单片机诞生至今已有几十年的时间，其技术成熟，运行稳定[4］,而且其功能完全可以满足本项目的要求。

其具备如下功能和特点：

1、可以仿真63K程序空间，接近64K的16位地址空间，满足DS2438采集程序和数据通信程序的要求:

2、拥有全部64K的16位地址存储空间；

3、拥有4组32个IO引脚，DS2438为单总线通信，仅需一个I/O引脚；

4、可以在仿真环境下进行单步、断点、全速运行等操作；

5、可以使用C语言或者汇编语言编写相应软件进行相关调试；

6、STC89C52应用范围广，使用者可以根据实际系统的需要自行选择相应的晶振平率。

本次动力电池系统数据采集系统中选用的是宏晶科技生产的新一代8051单片机，其生产的STC89C52单片机完全兼容传统8051单片机指令代码,性能稳定且价格低，符合本系统对数据采集用微处理器的要求。

2.4主控制器

主控板是电池管理系统的核心,它一方面完成与上位机的通信功能,即将系统电压、电流、温度和SOC等信息实时显示和绘制图表，并接受上位机的控制信息，实现对整个系统的实时控制；另一方面管理系统的CAN子网，接收来自采集板的数据即电池组的电压、电流以及温度，并将采集到的数据存储起来。

然后将采集到的数据进行电池组SOC的估算。

因此，对控制器具有相当高的要求。

首先，要具有足够高的总线工作速度，因为主控制器不仅要完成数据采集功能,还要进行复杂的SOC估算,因此,必须有足够高的总线速率作为支持。

其次，要有足够丰富的引脚.因为，主控机除了要完成数据采集、处理以及与上位机的通信的功能外，还应具有故障报警、故障处理等功能，引脚过少不足以满足本实验的要求.最后，还应集成CAN模块，因为整个系统是依靠CAN总线进行通信的，如没有CAN模块实现起来比较复杂。

目前比较常用的51系列的单片机，操作虽然比较简单，但工作速率不高，引脚也太少,不能满足本实验的要求.ARM虽然具有足够高的工作速率以及丰富的引脚，但学习起来比较困难,而且没有集成CAN模块,因此实现整个系统的通信有些困难.对于飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128单片机，其内部集成了CAN总线模块，可以实现整个系统的通信，高达80MHz的总线速度，可以实现数据的快速处理,而且具有丰富的外部引脚,可以充分满足本实验的要求［5］。

除此之外，我院刚建立了飞思卡尔实验室，使用的就是16位的飞思卡尔单片机，而且有经验丰富的老师作为指导。

故本实验选用飞思卡尔半导体公司的MC9S12XS128单片机作为主控芯片.

2。

5数据传输

2.5。

1控制器间的数据传输

不论是8位16位单片机还是32位单片机，也不论是STC89C52单片机还是MC9S12XS128单片机，单片机的基本系统模块之间都是通过异步串行通信接口实现的。

而串行通信方式是人与计算机之间实现人机交互的基本通信方式。

单片机系统里，常见的串行接口有：

SPI接口、CAN总线接口标准（增强型）、UART接口、USB接口、I2C总线接口等。

在搭建实际的控制系统中，使用较为常见的是USB接口和CAN总线接口。

在本次的数据采集系统中,由于需要模拟实际系统的需要，因此采集的动力电池组各方面信息较多，如果采用一般的接线方式,预处理单片机与主控单片机之间的通信线路会非常的杂乱无章，而且，在实际系统中，预处理单片机和主控单片机之间的距离会较远，因此采用CAN总线的方式实现预处理单片机与主控单片机之间的通信会非常方便，只需要一根数据线即可将所有的数据汇总到主控单片机。

CAN控制器是ControllerAreaNetwork，即控制器局域网。

在控制系统中使用CAN总线结构，能够简化系统中的线路。

CAN总线模块的功能是实现对于由于连接在CAN总线上的数据的接受和发送,即预处理单片机上接收数据，并且将数据传输到主控单片机上，同时接受主控单片机发送的控制指令，传输到预处理单片机.CAN总线的传送速率影响着CAN总线的物理长度，这是由CAN的应答机制决定的，当接收模块接收到CAN总线发送的信息时，必须在CAN总线的应答间隙时间内，发送一位显性电平，表示已成功接受。

CAN总线本身内部的集成模块决定自身有很强的抗干扰能力。

本次设计中选取的是MCP2515作为CAN总线结构。

MCP2515是一款独立CAN控制器。

该器件主要由三个部分组成:

1。

CAN总线模块包括三个发送缓冲器和两个接受缓冲器；

2。

用于保障MCP2515正常运行的相关器件及存储器；

3。

同步串行接口SPI协议模块。

由于MCP2515采用SPI总线作为接口与单片机进行通信，故接口相对于SJA1000的并行接口要简单，而且数据传输稳定，因此最终采用MCP2515作为本系统的CAN控制器。

2.6动力电池放电模型及SOC估计算法

为了在实验之前初步了解锂离子电池的各方面特性，需要建立电池的数学模型和SOC估算