基于DS2438的車載電池管理系統設計

郭克友，郭曉麗，王藝偉

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048)

基于DS2438的車載電池管理系統設計

郭克友，郭曉麗，王藝偉

(北京工商大學材料與機械工程學院，北京100048)

針對電動汽車的自身特點，利用DALLAS公司生產的單總線器件DS2438，開發以Freescale公司的16位單片機MC9S12XS128為核心的電動車電池管理系統。實現對車輛行駛過程中動力鉛酸蓄電池的電壓、電流、溫度等主要參數進行不間斷采樣。利用單總線進行數據信息的傳遞，主控制芯片制定最佳的電池充電方案，對電池進行能量補充和充分利用，為整車能源管理的研究奠定基礎。單總線器件的好處是：一條通信線路上可掛載多個器件，可對一組電池的多節電池分別進行監測，同時降低了硬件的復雜程度，具有成本低、易安裝維護等優點。該系統提高了電池組的可靠性，延長了蓄電池的使用壽命。

鉛酸蓄電池；剩余電量；DS2438；單總線；MC9S12XS128

1996年，第1代現代電動汽車EV由美國通用汽車公司制造，它采用的是鉛酸電池技術[1]。而今隨著金融危機、國際油價的高位震蕩和節能減排等產生巨大的外部壓力，全球汽車產業正式進入能源轉型時期。世界各國對發展電動汽車實現交通能源轉型這樣的技術路線達成了高度共識，電動汽車電池產業同樣進入了加速發展的新階段。鉛酸電池作為電動汽車的能量來源是未來研究重點[2－3]。對12 V鉛酸蓄電池的能量管理進行研究。針對汽車自身的特點，建立的電動汽車能量管理系統能夠對鉛酸蓄電池進行實時監控和高效利用，有益于今后對電動汽車能量進行深入研究。

1 總體方案設計

本文所設計的電池能量管理系統共分為三大模塊：數據采集模塊、數據處理模塊和數據顯示報警模塊。其中數據采集模塊是利用美國DALLAS公司生產的單總線器件DS2438，單總線(1-w ire)是Maxim全資子公司Dallas的一項專有技術。與目前多數標準串行數據通信方式如SPI/I2C/M ICROWIRE不同，它采用單根信號線，既傳輸時鐘又傳輸數據，而且數據雙向傳輸。它具有節省I/O口資源、結構簡單、成本低廉、便于總線擴展和維護等諸多優點[4]。數據采集模塊是以MC9S12XS128為主控芯片，該芯片是Freescale公司的16位單片機，具有16位中央處理單元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8KBRAM、8KB數據Flash(D-lash)等豐富資源[5]。

車載鉛酸蓄電池管理系統總體架構如圖1所示。

2 硬件系統設計

2.1 數據采集模塊

在數據采集模塊中，本文選擇美國DALLAS公司生產的信號采集芯片DS2438進行數據采集。DS2438可用于標識電池組的唯一序列號；DS2438內置數字化的溫度傳感器，用于測量電池組內溫度信號的熱敏電阻；可測量電池電壓和電流的A/D轉換器；集成電流累積器用于記錄進入和流出電池的電流總量；一個經歷時間紀錄器；及40Byte的非易失E2PROM存儲器，可用于存儲重要的電池參數，例如電池容量、充電方式等[6]。其實物和管腳分配如圖2所示。

圖1 電動汽車車載鉛酸蓄電池管理系統

圖2 實物和管腳分配圖

在硬件電路設計中，首先進行的是采集電路的設計，DS2438的檢測電路如圖3所示。

圖3 DS2438的檢測電路

其中DS2438第5管腳即單總線數據接口，在實際使用中，使用一個5Ω的上拉電阻與VCC對接后，再與MC9S12XS128的PORTA的PA7管腳進行數據對接。

2.2 數據處理模塊

數據處理模塊的主控芯片，從功能性、經濟性及易用性等多方面進行考慮，選擇了飛思卡爾公司生產的16位MC9S12-XS128單片機，它負責對DS2438芯片所采集到的信號進行處理并向各個功能模塊發送控制信號。MC9S12XS128單片機最高總線頻率可達40MHz，片內資源包括8 K RAM、8 K EEPROM和128 K Flash，擁有4路8位或2路16位脈寬調制模塊(PWM)、2個8路10位A/D轉換器和帶有16位計數器的8通道定時器、UART、PIT、I2C、FTM等外部接口模塊[5]，處理功能及片內資源符合本文的需求。

2.3 數據顯示模塊

數據顯示模塊設計過程中，考慮到駕駛員觀察的方便性，本文選用TFT彩屏進行圖形化顯示，利用形象的比例特性，來提醒駕駛員電池組的剩余電量。

其中本文所用TFT彩屏的顯示效果如圖4所示。

圖4 TFT彩屏的顯示效果

3 系統軟件設計

本文的軟件設計主要分為三個部分：MC9S12XS128對DS2438芯片的控制指令模塊、DS2438的采集信息回收計算模塊及TFT彩屏的顯示控制模塊。電池的電壓、電流及此時的電池的溫度都是相關量，要同時不間斷采集，才能更精確地計算出此時電池的剩余電量。在DS2438中ICA是一個按比例的8位易失二進制計數器，比例電阻RSENS(本文電池組用0.025Ω的檢測電阻)累計了兩端的電流[7]。如果狀態/配置寄存器IAD位置高電平則ICA遞增，反之遞減。表1為ICA的內容。

剩余的電池容量RCA通過用式(1)計算得出：

軟件主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.1 DS2438采集信息程序

信息采集模塊的工作主要圍繞DS2438展開。在單總線上所有的事務均以初始化序列開始。初始化時序由主機發送的一個復位脈沖及從機發送的應答脈沖兩部分組成。應答脈沖通知主機DS2438在總線上并已做好準備。一旦主機監測到應答脈沖，則發送長度為8位的ROM命令控制從機做好準備工作。一個復位脈沖后面跟隨一個應答脈沖表明DS2438已經準備好，可發送或接受ROM命令。總線主設備隨后釋放總線，進入接受模式(Rx)，在檢測到I/O端口的上升沿并持續15～60m s之后，發送一個應答脈沖給主機，從而完成初始化時間槽工作。通過時間槽，可從DS2438讀取或向DS2438寫入數據[8－11]。讀取電壓、電流和溫度的時序指令較為相似，本文以讀取電壓參數為例進行描述，其程序流程如圖6所示。

圖6 讀取電壓參數程序流程圖

對單總線進行寫和讀時間槽的時序不同。其中寫時間槽的方式有兩種，即寫0時間槽和寫1時間槽。若為主設備產生一個寫1時間槽，則數據線必須被拉成低電平，然后釋放數據總線，在寫時間槽開始15m s內，允許數據總線拉成高電平。而在讀時間槽時主設備I/O端口必須保持在非低電平狀態，在初始化讀時間槽后15m s之內讀取它的狀態值。在讀時間槽的末端，I/O端口通過上拉電阻自動置為高電平。所有的寫時間槽操作必須持續至少60m s，在寫時間槽的過程中，必須使單總線具有至少1m s的復位時間。在實驗測量中可以檢測到處于通訊狀態的DS2438上單總線DQ引腳的波形圖，如圖7所示為檢測鉛酸蓄電池端電壓為8 V時的波形圖。

圖7 DS2438單總線通訊狀態波形圖

3.2 數據顯示控制程序

TFT液晶顯示屏為每個像素都設有一個半導體開關，每個像素都可通過點脈沖直接控制，因而每個節點都相對獨立，并可以連續控制，不僅提高了顯示屏的反應速度，同時可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶顯示屏的色彩顯得更加真實。TFT液晶顯示屏的特點是亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷。

從單總線采集到的數據存放在DS2438的13位專用寄存器之中，故最初獲得的是一組長度為13位的二進制補碼格式的測量數據，所以要按照DS2438數據手冊的要求進行數據的轉換[12]。在本系統的顯示設置時，只顯示了電池當前的電壓、溫度及剩余電量的百分比。根據鉛酸蓄電池放電的經典曲線，在剩余電量達到電池的總電量的15%時，電池幾乎失去對外滿額電壓的供電能力，故此時進行蜂鳴器的報警提醒。待蜂鳴器報警進行2m in后進行自動切斷對外供電。

4 結語

介紹了基于DS2438電池能量管理芯片的電動汽車車載電池管理系統，設計并開發完成一套數據采集和顯示設備。實驗結果表明，本文所設計的電池能量管理系統可以實現對12 V鉛酸蓄電池的放電電流、電壓、本身溫度等模擬量參數的實時采集，進而對電池的剩余電量和電池荷電狀態進行估算，利用液晶顯示板實時顯示電池的剩余電量，能夠在電池剩余電量少于15%的情況下進行自動故障報警。該系統可以大大提高電動汽車的車載電池能量監控效果，方便用戶進行合理預計剩余電量，合理選擇運行時間。

[1]肖秀玲.基于現場總線技術的輕型電動車電池管理系統的設計[C]//中國電工技術學會2002：中國電動汽車研究與開發，深圳：中國電工技術學會，2002：6.

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Batterymanagementsystem of carsbased on DS2438

GUO Ke-you，GUO Xiao-li，WANG Yi-wei
(School ofMaterialand Mechanical Engineering，Beijing Technology and BusinessUniversity，Beijing 100048，China)

Aimed at the characteristics of electric vehicles，an electric vehicle battery management system was developed by using a single bus device DS2438 of DALLAS and MC9S12XS128 of Freescale 16-bit MCU.The continuous sam pling of the main parameters such as voltage，current and tem perature during driving was imp lemented.By using the single bus，the data information was transm itted to themain controlchip.The bestbattery charging solutions were proposed tomake fulluse ofbattery energy.The two points above lay the foundation for the research of vehicle energymanagement.The benefits of single bus devices are as follows.Multiple devices can be mounted on the road;the telecommunication lines can be more of a set of batteries monitoring;it reduces the com plexity of the hardware and has the advantages of low cost，easy installation and maintenance.The system improves the reliability of the battery and prolongs the service life of the battery.

lead-acid batteries;remaining power;DS2438;single bus;MC9S12XS128

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1416-03

2015-12-06

北京市屬高等學校人才強教計劃資助項目(PHR20110876)

郭克友(1975-)，男，黑龍江省人，博士，副教授，主要研究方向為安全輔助駕駛。