摘要： 随着电动汽车产业的发展， 电池需求数量急剧增长， 对电池测试设备的需求也在同步增长。提出了一种电池组测试平台， 并着重介绍了数据采集系统与上位机监控系统的设计。以MC9S12DT128B微控制器为核心的电池数据采集系统， 实时检测电池的相关信息， 并将数据发送至上位机， 为电池状态估算提供依据。上位机监控系统用VC++ 编写， 用于数据的读取及存储、参数设置、校准， 同时可以控制充放电设备按照编程指令输出电流， 以满足不同的实验要求。经实验验证， 本系统对电池信息进行实时检测具有较高的精度， 系统运行稳定、可靠。
1 前言
目前， 电池在实际使用中普遍存在的问题是电荷量不足， 一次充电行驶里程难以满足实用要求。
另外， 用可测得的电池参数对电池荷电状态( SOC,S tate- O f- Charge)作出准确、可靠的估计， 也一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力的研究课题。因此有必要建立动力电池测试平台， 利用该平台对电池相关参数进行全面、精确的测量， 实现电池性能试验， 工况模拟和算法研究， 确定最合理的充放电方式及更为精确的SOC 估算方法， 从而合理的分配和使用电池有限的能量， 尽可能延长电池的使用寿命， 进一步降低电动汽车的整车成本。与以往的电池测试系统相比， 该测试平台可全面监测电池相关参数， 并加入充放电能量的计量， 可从能量的角度对电池的性能进行描述， 从能量状态( SOE,Sta te- O f- Energy)的角度对电池的使用效率进行分析。系统硬件电路具有电池过电压、欠电压保护及均衡功能， 可对单体电池进行监视和保护， 减小电池间的不一致性。在充放电设备与上位机之间建立通信， 控制充电机按照编程指令改变控制策略和输出电流， 检验充放电电流大小、方式和环境条件对电池的电荷量及使用寿命的影响。
2 测试平台结构
测试平台的结构如图1所示， 以单片机为核心的电池数据采集系统直接对电池组的单体电压、总电压、温度、电流、充放电容量、充放电能量等信息进行精确测量， 并通过RS232总线将数据发送到上位机。由微型计算机构成的上位机监控系统， 实时显示并记录接收到的测试数据， 对数据进行分析， 监控测试系统工作状态。另外可根据具体的实验要求，控制充放电设备按照编程指令输出电流， 模拟电池在某些特定条件下的使用情况。充放电设备实现电池组的充放电， 完成电池和电网之间能量的双向流动， 与监控PC 机通过CAN 通信， 可接收监控PC机的编程控制指令。文中主要完成数据采集系统、上位机监控系统的设计并实现各部分之间的实时通讯。
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图1 平台结构图
3 系统硬件设计
数据采集系统硬件结构如图2所示， 主要包括以下几个模块： 微控制器、电源模块、电流及安时检测模块、瓦时检测模块、电压检测模块以及通信接口电路。
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图2 硬件结构图
微控制器采用的是MC9S12DT128B 芯片， 该芯片具有串行接口、CAN 控制器等丰富的外围资源，只需加入电平转换电路即可实现与上位机之间的232通信。本设计使用数字温度传感器DS18B20来实现温度检测， 它支持1- w ire总线协议， 可利用单片机的一个端口来读取多个检测点的数字化温度信息， 扩展方便。
电压检测采用bq76PL536 芯片， 它同时检测3到6节电池， 测量的单只电池的电压范围为1~ 5V。
该芯片由所测电池直接供电， 供电电压范围为5. 5~ 30V。为了保证芯片在所测电池少于3 节时仍能正常工作， 电路中外接9V 的直流电源。在电池总电压小于9V 时， 采用外部供电。该芯片具有电池过电压， 欠电压保护功能， 电压阈值及检测延迟时间这些保护参数可通过程序写入。当某节电池的实际情况超过设定的安全阈值范围时， 芯片中电池故障寄存器相应字节置位， 从而通知充电机动作， 防止电池过充或过放。在芯片外围， 有MOS管与电阻构成的均衡电路， 芯片的CBx管脚可以控制MOS管的导通与关断， 如图3所示。通过软件设置， 当程序判断出某节电池需要均衡时， 该电池对应的CBx 管脚被置位， 这时与CBx 相连接的MOS管导通， 均衡电路启动。
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图3 均衡电路
CS5460A 芯片能够精确检测和计算有功电能、瞬时功率、IRM S和VRM S, 本系统用两片CS5460 分别检测电流、安时和瓦时。其中一片CS5460 采用分压电阻检测电压， 分流器检测电流， 通过软件设置，它在每秒钟内对电压、电流信号采样4000次， 并计算出瞬时功率。通过4000次功率的累计， 芯片可自行计算出这一秒钟内的能量值， 即?? 瓦时 。另外一片CS5460将通过电压测量通道测量恒压源信号，电流测量通道测量分流器信号， 这样测得的数值为电流与时间的积分， 即电池电量的计量单位?? 安时 , 可用于SOC 的计算。