动力锂离子电池智能管理系统数据采集单元设计_张华锋

Vol.33 No.4 2013.4 船电技术|应用研究37动力锂离子电池智能管理系统数据采集单元设计张华锋1，廖菲2，管道安1，彭元亭1(1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064 ；2. 武汉电信网络监控部， 武汉 430030)摘 要：分析了锂电池各运行参数的特点，设计了一种用于锂电池智能管理系统的数据采集方法，通过改进的测量方法实时测量锂电池组的单体电池电压、温度及充放电电流，并通过CAN 总线传至上层节点，为锂电池的智能管理提供现场数据。

着重介绍了该数采单元的设计原理以及软硬件设计。

关键词：锂离子电池 数据采集 CAN 总线 智能管理系统中图分类号：TP302.1 文献标识码：A 文章编号：1003-4862（2013）04-0037-03The Design of Data Acquisition System for SMBS Based on CAN BusZhang Huafeng 1 , Liao Fei 2 , Guan Dao’an 1，Peng Yuanting 1（1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC , Wuhan 430064 , China; 2. Chinatelecom Wuhan Branch, Wuhan 430030,China ）Abstract: This paper analyzes the characteristics of working parameters for lithium ion batteries, and designs a kind of data acquisition method for SMBS. It provides field data acquisition for the intelligent management system of lithium ion batteries by measuring the voltage and temperature of single cell, charge current and discharge current in real time, and transmits data upward with CAN bus. It introduces the principles, hardware and software design of data acquisition in detail ．Keywords: lithium ion battery; data acquisition; CAN Bus; intelligent management system1 引言锂离子电池由于具有电压高、能量密度高、无“记忆效应”、放电曲线平缓，绿色环保等优点逐步在动力电池方面获得应用。

锂电池过充、过放电、短路、温度、单体电压不一致性等都会对使用效率、使用寿命及使用安全产生影响。

因此，获得锂电池的运行参数从而对其进行实时监控是非常必要的。

在研制的锂电池智能管理系统中，通过实时测量锂电池组的单体电池电压、单体电池温度、及充放电电流，实现对锂电池组运行参数的实时监测，并通过总线将数据传至上层节点进行分析处理，据此对锂电池系统进行相关控制，实现锂电池系统的高效，高寿命运行。

本文重点对锂电池智能管理系收稿日期：2012-08-24作者简介：张华锋（1979－），男，工程师。

研究方向：化学电源测控技术及船舶电力推进系统监控技术。

统的数据采集方法进行研究，通过CAN(ControllerArea Network)总线为锂电池智能管理系统实时提供电池各运行参数。

2 电池运行参数测量2.1 单体电池电压测量 单节锂电池电压较低，很多场合需要串联使用，而电池组的性能取决于最差的那节电池。

因此测量串联电池组单节电池的电压成为必要而又关键的技术。

共模测量[1]和差模测量是测量串联电池组各节电池电压的两种方法。

当串联电池数较多而且对测量精度要求较高时，只能采用差模测量。

由于两个测量端存在较高的共模电压，所以不能采用模拟开关选通，也不能直接测量。

工业上广泛采用机械继电器实现多路电压选通，通过隔离放大器隔离共模电压；这种方法在使用寿命，精度，抗干扰等方面船电技术|应用研究 Vol.33 No.4 2013.438存在明显的不足。

本方案采用差模测量法，选用松下公司AQW21x 系列光耦继电器选通各电池端电压，通过差动放大器抵消测量端的共模电压，再用运放电路进行信号调理，能够实现串联电池数较多时各电池电压的实时高精度测量[2]，而且高额响应和抗干扰能力很好。

所选差动放大器是AD 公司新一代运算放大器，它最大的特点是它可以在某些情况下代替隔离放大器，在双电源供电时输入端可以耐高达500 V 的共模电压，在单电源12 V 供电时也可以拥有高达220 V 的共模输入。

所选光耦继电器耐压400 V ，驱动电流l mA ，连续负载电流100 mA ，平均动作时间0.3 ms ，导通电阻约30 n Ω，没有噪音和开关次数限制。

测量电路原理图如图1。

图1 单体电池电压测量原理图2.2 单体电池温度测量除了电化学反应的吸热和放热外，在充放电过程中，由于电池内阻而产生的热量也会引起电池的温度发生变化。

电池温度测量是在电池极柱根部安置温度传感器，通过测量在线电池的温度，找出温度异常的电池。

研究表明：无论是恒流放电、限压恒流充电还是浮充状态，荷电量最小的电池温度最高。

系统中对单体电池温度的测量采用了Dallas 公司生产的数字式温度传感器DS18B20。

与其他温度传感器相比，该传感器具有如下特性：支持多点组网功能，多个DS18B20温度传感器可并联在一起，实现多点温度测量；测量范围为-55～+125℃，分辨率为±0.5℃；测量结果以9～12位可选择的二进制数值量串行传送。

电路原理图如图2。

2.3 电池充放电电流测量 锂电池充放电电流的测量相对比较简单，考虑到放电电流很大，在此系统中采用了最高可测800 A 电流的LEM 公司的HAS500-S 霍尔电流传感器，它将电池充放电电流转换成-4～+4V 的直流电压，电压抬升后直接经AD 转换即可得。

图2 单体电池温度测量原理图3 CAN 通信设计CAN 总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网。

由于其高性能、高可靠性、实时性等优点，已广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信[3]．由于每块采集板采集多种测量，且系统中可能存在多块采集板，为避免多块采集板在数据交换时产生冲突，采用请求/响应的主从式数据传输方式。

由上层CAN 通讯节点发出数据请求，采集板将各参数打包，分别发出，在包中标明数据类型及采集板号。

使用C8051F040作为系统核心，该型单片机中已集成CAN 控制器，从而大大简化了硬件设计。

该控制器器符合Bosch 规范2.0A 和2.0B ，可工作在标准模式和扩展模式；支持数据帧和远程帧；有完备的错误诊断功能；有自动重发功能[5]。

4 系统软、硬件设计系统硬件框图如图3所示，该系统以C8051F040单片机为核心组成。

由CAN 通信接口模块、单体电池电压采集模块、单体电池温度采集模块以及电池充放电电流采集模块等构成。

由于系统中存在多个采集模块，为避免多个块采集模块在数据交换时产生冲突，系统通讯采用请求/响应的主从式数据传输方式。

由中央控制单元的CAN 通讯节点发出数据请求，采集模块将各参数打包，分别发出，在包中标明数据类型类型及采集板Vol.33 No.4 2013.4 船电技术|应用研究 39号。

中央控制单元将数据包中的数据分类进行处理，这样大大减少了数据的出错率。

在本系统中，选用高速CAN 总线驱动器82C250。

由于82C250是标准5 V 供电，因此通过高速光耦6Nl37与82C250相连，这样既实现了CAN 节点间的电气隔离，又增强总线节点的抗干扰能力，提高了节点的稳定性和安全性，如图3。

82C250与CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全与抗干扰措施。

82C250的CANH 和CANL 引脚各自通过一个小电阻与CAN 总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。

CANH 和CANL 与地之间并联两个小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。

为提高板卡的测量精度、使其具有良好的互换性、便于系统扩展，每块采集板测量八路电压和四路温度[4]，使用中根据测量参数的数量灵活选择采集板数。

C 40P 0图3 数采单元硬件框图本系统用C51模块化编程，提高了可读性，维护方便。

主要包括主程序、单体电池电压采集程序、单体电池温度采集程序、充、放电电流采集程序、CAN 总线服务程序等。

其中单体电池电压采集和电池充、放电电流采集采用中断方式实现，通过多次测量求平均值的方法，提高测量的准确性。

单体电池电压采集中断程序流程图如图4所示，单体电池温度采集程序流程图如图5所示。

5 主要技术指标该数据采集系统的主要技术性能指标及参数如下：1) 电压测量：由于每块板卡独立采集电池运行参数并进行处理，最多监测电池数目主要由CAN 总线通信协议及硬件通讯时间决定，单体电池电压测量范围为2.30～4.80 V ，电压测量精度为±0.01 V 。

2) 温度测量：温度测量范围为-25～+85℃，温度测量精度为±0.5℃。

3) 电流测量：电流测量范围为0～800 A ，电流测量精度为±l ％。

图4 单体电池电压采集中断程序流程图图5 单体电池温度采集程序流程图6 结束语本文对锂电池数采系统的硬件和软件设计进行了详细分析。

通过该系统为锂电池实时监控和充放电控制提供实时运行参数，对提高直流系统的安全运行、供电系统的可靠性和自动化水平有着十分重要的意义。

参考文献：[1] 古启军, 陈以方, 吴知非. 串联电池组电压测量方法研究[J]. 电测与仪表, 2005(5), 39(437): 1-2[2] 谢永刚．移相全桥ZVZCS 变换器及数字化控制研究．华中科技大学硕士论文，2006．[3] 邬宽明. CAN 总线原理和应用系统设计[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2006：240-243[4] 李立伟, 邹积岩. 蓄电池总线检测系统的设计与实现[J]. 电工技术杂志, 2008, (11).[5] 张毅刚，赵光权，孙宁等．DSP 原理、开发与应用[M]．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2006．。