动力电池组测试平台设计

1前言

作为电动汽车的能量存储部件，电池的功率密度、储电能力、安全性等不仅决定着电动车的行驶里程和行驶速度，更关系到电动车的使用寿命及市场前景。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,State-Of-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,State-Of-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。

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。

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-wire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。

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、IRMS和VRMS,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。

4系统软件设计

数据采集系统软件分为主程序、电流检测及安时检测、瓦时检测、电压检测、温度检测以及RS232程序。系统上电后，主程序开始运行。首先进行系统初始化，之后进入主循环，然后循环调用其他子程序模块，完成各个参数的采集、通讯等功能。

上位机监控软件在VC++6.0编程环境下完成，整个应用程序采用模块化和结构化模式：各个程序模块分别设计，然后用最小的接口组合起来，控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块。该监控系统包括：

数据显示：实时显示电池数据采集系统所检测到的电池总电压、单体电压、电流、充放电总容量、充放电总能量、温度等信息，将接收到的数据按时间先后顺序存储到access形式的数据库中。读取已存储的access库，以列表的形式在界面上显示数据。

参数设置及校准：在数据采集系统上电后，通过RS232接口和pC之间的通讯，根据事先设定的通信协议，对电池的信息进行修改，或对芯片进行软件校准等。

数据处理：分析收到的电压、温度数据，计算出最高、最低电压/温度，及其位置信息，并实时显示。

另外数据采集系统已实现电池容量变化的实时计算，但实际应用场合，通过电流积分来进行SOC估算存在累计误差，所以需要定期修正。在上位机程序中，有预留的模块添加用于SOC修正的代码。在进行SOC估算的实验时，可根据实时收到的电池相关参数，结合程序事先设置好的修正方法，实现SOC在线估算。

充放电设备控制：在上位机程序中有预留的模块用于添加充放电设备的控制程序，使电池的电压、温度、充放电容量、充放电能量等相关参数都能参与电池的充放电控制和管理。在电池充放电过程中，上位机分析收到的电池状态和信息，同时判断电池组中所有电池是否发生过充电、过放电或过温，由于充放电设备与上位机之间存在CAN通信，会及时按照上位机的程序指令动作。这种控制模式可以方便的用于电池组充放电策略的研究，上位机按照预先设定好的控制策略计算出充放电设备的电压、电流控制值，并发送给充放电设备使其动作。同时这种控制模式也可以模拟电动汽车的实际运行情况，提高了充放电设备的智能化水平，简化了充电工作人员设置充电参数等繁琐的工作，使得充电机具有了更好的适应性，充电机只需要得到上位机提供的指令就能实现安全充电。

5系统测试

为了测试该系统，使用3.7V/80Ah的锰酸锂电池做恒流恒压充电试验。在上位机程序中设置如下参数：恒流阶段充电电流80A,充电截止电压4.2V,恒压阶段截止电流0.1A,得到的充电曲线如图4所示。

图4恒流恒压充电曲线

从图中可以看到，在恒流充电时，电流值保持恒定，电压稳步上升，达到截止电压后，电池开始恒压充电，电压值基本稳定，电流值逐渐下降至截止电流，达到了控制目的。在整个测试过程中，充电机能够及时准确的按照上位机的编程指令动作，系统工作稳定，实时性好，采样精度高，其中电压测量相对误差最大值为0.5%,电流测量平均误差为0.41%,温度测量误差为0.5%,安时、瓦时计量误差均在0.5%以内，符合设计要求。

6结论

该测试平台能够准确反应电池状态的变化，为最大限度的发挥电池性能，提高电池使用效率，实现电池容量和能量的高效利用提供数据支持，达到了设计要求。上位机监控程序模块化，结构化的优点，保证了系统良好的功能扩展性，为动力电池的性能测试、算法验证、充电方法研究提供了可靠的平台，为电动汽车的推广使用奠定了基础。