基于NEC單片機的電池管理系統數據采集

周 彬，任傳波，甄小勇，楊治學

（山東理工大學 交通與車輛工程學院，山東 淄博 255091）

制約電動汽車發展的關鍵在于電池，因此能夠使電動汽車正常運行的電池組顯得非常重要.雖然當前電池的生產技術在不斷進步和改善，但電池組的正常高效運行還存在一定問題.電池組是由大量單體電池串聯而成［1］，當充放電時，由于單體電池之間存在性能和工作環境差異，個別電池會出現過充、過放，甚至提前損壞等情況，從而使整個電池組的性能受到影響，降低其它單體電池的循環壽命和性能，為電動汽車埋下安全隱患.電池管理系統（BMS，Battery Management System）可以實時監測電池組當前運行狀態的電壓、電流和溫度等重要參數，利用檢測到的數據進行SOC估算，判斷電池組是否存在過流、過放、過充和溫度異常等狀況［2］.

1 電池管理系統

圖1為所設計的基于NEC－uPD78F0513D的電池管理系統結構示意圖，主要包括信號采集、處理及輸出3部分.在主芯片uPD78F0513D的控制下，系統可以實現同時對多個單體電池進行電壓采集、電流采集及溫度采集.還可以通過對采集到的各電池信息進行分析處理，得出當前電池組的工作狀況是否處于過充、過放、過流或者溫度過高等異常情況，從而進行數據顯示或報警提示，并采取相應措施.

目前電池管理系統的難點和關鍵技術主要有:（1）電池熱管理技術；（2）數據采集精度；（3）SOC估算值的精度.本文重點介紹數據采集模塊.

圖1 電池管理系統結構示意圖

2 BMS數據采集

數據采集是整個系統的基礎部分，也是最重要的部分，數據的精度直接影響著整個系統后期的各種估測和判斷.電池管理系統采集到的電壓、電流和溫度等信息是衡量整個電池組當前運行狀態的標準，本次設計的電池管理系統的各采集部分如下.

2.1 電壓采集

電池電壓采集硬件電路主要包括4部分:差分電路、模擬多路選擇開關電路、隔離電路以及外部AD轉換電路.分為4部分對電壓進行采集是因為考慮到了以下幾點:電池組一般為多個單體電池串聯而成，因此需要多路選擇開關對各單體電池進行排序，依次檢測轉換，圖2為本系統多路選擇開關電路，配合軟件可以實現；由于電動汽車上存在復雜的電磁場，因此采用隔離電路減少對單片機的干擾，提高準確度；采用差分電路同樣也具有隔離作用，而且還由于其輸出端阻抗小，能夠提高驅動能力［3－4］；由于單片機A／D口資源的限制以及為降低單片機的工作強度，引入了外部A／D轉化電路.電池電壓采集過程如圖3所示.

圖2 模擬多路開關電路

圖3 電池電壓采集過程

2.2 電流采集

當前市面上的電流傳感器主要有霍爾電流傳感器和采樣電阻兩種.霍爾電流傳感器的原理是利用霍爾元件檢測電流經過導線時產生磁場強度，進而產生霍爾電壓信號.根據電池管理系統對所用電流傳感器的特殊要求，最終選擇了CSM300B系列霍爾電流傳感器.

CSM300B輸出的是電流值，因此需要外接一個測量電阻Rm，從而獲取電壓信號值，然后經過差分濾波電路，之后被送到單片機的AD轉換口上，進行數據的處理分析.該電流獲取電路如圖4所示.

圖4 電流獲取電路

CSM300B可以測量0～±400A的電流，Rm是事先選好的定值電阻（0～20Ω），單片機獲取的電壓值為Ui.實際電流值計算公式為

2.3 溫度采集

一個好的電池管理系統，一定要有一個良好的熱管理系統，只有使電動車動力電池組始終處于一個合適、均勻的溫度環境中，才能提高電池的使用壽命和性能［5］.當電池組中各單體電池溫度差異較大時，會使電池內部產生不同的壓力，從而引起電池組中電池電壓不均衡，這樣會影響整個電池組的性能，降低電動汽車動力性能嚴重時會引發電動汽車的安全問題.

本次采用了具有易安裝、測量精度高和測量電壓范圍廣等優點的DS18B20傳感器，其溫度獲取電路及DS18B20實物圖如圖5所示

圖5中，1.GND為電源地；2.DQ為數字信號輸入、輸出端；3.VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）.

圖5 溫度獲取電路及DS18B20實物圖

3 系統綜合調試及運行結果

本次程序開發使用C語言進行編寫，編寫和調試環境使用的是瑞薩公司（原NEC公司）提供的配套軟件PM plus，使用配套軟件QB－Programmer通過燒寫工具MINICUBE2將程序寫入單片機中.在開發過程中還使用了ID78K0－QB進行程序的片上仿真調試［6］.

將編寫好的程序刷入本次電池管理系統硬件電路板中，進行綜合調試和運行.其主程序流程圖如圖6所示.

圖6 系統主程序流程圖

使用本次設計的電池管理系統對7節某品牌鎳氫電池進行數據采集測試，首先將電池充滿電后放置一小時，然后連接該BMS通電進行測量.7節電池電壓分別標記為A～G，外加環境溫度標記為H，BMS測得的數據通過LCD12864顯示屏顯示.使用萬用表測量每一節電池電壓并記錄，使用激光溫度傳感器對電池表面進行溫度測量為28.2℃，本系統測得溫度也為28℃.

表1 實驗數據對照表

由實驗數據分析得，BMS的數據采集模塊采集的電壓和溫度數值與萬用表、激光溫度傳感器所測數據基本一致，因此測量結果較精確.

4 結束語

本文介紹了基于NEC－uPD78F0513D的智能電池管理系統數據采集部分的采集電路和數據采集方法，并通過試驗驗證了本電池管理系統具有數據采集精確度高、采集穩定可靠等特點.為整個系統的實現奠定了良好的基礎.

［1］張治國，孔慶，崔納新.電動汽車電池組監測系統的設計［J］.電源技術，2011，35（10）:1224－1226.

［2］楊虎，杜常清，顏伏伍.高精度動力電池組電壓采集單元設計［J］.電源技術，2011，35（10）:1221－1223.

［3］劉松柏，姚曉陽，吳正平.差分濾波電路在機車直流電壓信號采集中的應用［J］.機車電傳動，2010（6）:27－30.

［4］黎繼剛.鋰離子動力電池管理系統的研究與實現［D］.杭州:浙江理工大學，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.