文档—威斯特锂离子电池使用寿命、老化检测系统V1.0

维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 1 1 1 引言引言 1 11 1 编写目的编写目的 锂电池中出现单节落后锂电池是造成锂电池损坏的诸多因素中 的主要原因 锂电池损坏会造成移动基站掉站事故 这里设计制作 了检测锂电池中落后单节和检测锂电池状态的系统 通过采用这种 检测技术 可大幅度减少掉站事故的发生 从而提升设备的运行质 量 本系统采用 DALLAS 公司的单总线器件 DS2438 实现对锂电池老 化状态的采集 然后主机通过与单总线器件通信获取状态信号 并 处理这些数据从而实现了对锂电池状态的检测 根据电池状态能有 效地对基站锂电池管理 本系统利用 DALLAS 公司生产的单总线器件 DS2438 对电池的电 压 电流 温度 电量等主要参数进行采样 通过 SPCE061A 单片机 与在线器件通讯获得采样数据 并处理采样数据 在 lcd1602 上显 示电池状态 其优点是 一条通信线路上可以挂载多个器件 可以 对一组电池的多节电池分别进行检测 同时降低了硬件的复杂程度 具有成本低 易安装维护等优点 本系统能有效提高电池的可靠性 延长了锂电池的使用寿命 节约电池的维修费用 本文档详细描述了威斯特锂离子电池使用寿命 老化检测系统 的详细功能和数据结构 目的是为提高锂离子电池使用寿命 稳定 性开发锂离子电池循环寿命 老化检测设备控制系统 同时为软件 使用者提供指导说明 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 2 本文档的读者为系统用户 软件设计师 概要设计与详细设计 程序开发员 测试人员 售后技术支持人员等 1 21 2 背景背景 a 本软件的名称为 威斯特锂离子电池使用寿命 老化检测系 统 V1 0 b 本项目由山东威斯特车业有限公司提出 用户为电动车生产 企业 电动车生产一体化实现自动化控制提供软件系统支持 1 31 3 定义定义 锂电池 检测系统 DS2438 单总线 移动基站 2 2 设计概论设计概论 2 12 1 单总线技术单总线技术 2 1 1 单总线简介 1 wire 单总线是 Maxim 全资子公司 Dallas 的一项专有技术 与目前多数标准串行数据通信方式 如 SPI I2C MICROWIRE 不同 它采用单根信号线 既传输时钟 又传输数据 而且数据传输是双 向的它具有节省 I O 口线资源结构简单成本低廉便于总线扩展和维 护等诸多优点 2 1 2 单总线通信过程 每次与单总线器件通信都需要进行以下的单总线命令 第一步 初始化 第二步 ROM 命令 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 3 第三步 功能命令 初始化 其中初始化包括复位与应答 主机发送复位命令 如 果有从机 单总线器件 接收到复位命令 从机发送应答命令给主 机 表示连接成功 随后进行 ROM 命令 ROM 命令 单总线器件出厂前被赋予了唯一的 ID 识别号 ROM 命令就是对此 ID 号进行的操作 包括读 ROM 匹配 ROM 找寻 ROM 跳过 ROM 操作 读 ROM 命令用于读取单总线器件的 ID 识别号 仅当在线器件为一的时候使用 匹配 ROM 命令用于在线器件不唯 一的情况下 主机发送 ID 号与在线器件进行匹配 选中与该 ID 号 相同的在线器件 随后进行功能命令 找寻 ROM 命令用于使用分叉 树的方法读取器件的 ID 号 不能与器件的物理位置对应 只能通过 程序读取全部在线器件的 ID 号 跳过 ROM 命令用于只有单个器件 在线的情况 直接跳过执行功能命令 功能命令 功能命令用于对单总线器件进行各种功能操作 使 其实现各项功能 2 1 3 功能命令集 各功能命令使用流程如下 表 1 1 各标志位读写 主机模式数据 地位在前 功能介绍 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TX4Eh00h 发出写SP 00h命令 TX0Fh 设置ICA CA EE AD位状态 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 4 TXCCh 跳过ROM命令 TXBEh00h 发出读暂存器SP 00h命令 RX 读暂存器数据和校验位 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TX48h00h 发出复制暂存器SP 00h命令 RX 读子机当复制暂存器完成时 DS2438 返回 1 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 完成 表 1 2 转化温度电压 读取温度电压 主机模式数据 地位在前 功能介绍 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TX44h 发出转换温度命令 读子机 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TXB4h 发出转换温度命令 读子机 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TXBEh00h 发出重读存储页00h命令 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TXBEh00h 发出读暂存器SP 00h命令 RX 读取暂存器数据和校验位 此 网页包含温度 电压和电流测 量 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 完成 表 1 3 存储页功能命令 主机模式数据 地位在前 功能介绍 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TXB8h01h 发出重读存储页00h命令 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 5 TXBeh01h 发出读存储页00h命令 RX 读取暂存器数据和校验位 电流累加器位于字节04h TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TXB8h07h 发出重读暂存器SP 07h命令 TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 TXCCh 跳过ROM命令 TXB8h07h 发出读暂存器SP 07h命令 RX 读取暂存器数据和校验位 CCA位于字节04h 05h DCA位 于字节06h 07h TX 复位复位脉冲 RX 应答应答脉冲 完成 主机对从机的操作过程就为上表所述过程 图 1 1 为温度电压电流寄存器在存储器中的位置 图 1 1 存储器 00 页与 01 页 图 1 2 为各功能命令集 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 6 2 22 2 程序编译环境程序编译环境 nSP 集成开发环境 它集程序的编辑 编译 链接 调试 以及仿真等功能为一体 下图为调试状态界面 图 1 3 程序编译环境 3 3 锂电池监控系统总体设计思路锂电池监控系统总体设计思路 3 13 1 系统功能需要系统功能需要 按题目要求需设计一套集检测与管理为一体的锂电池检测管理 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 7 系统 该系统应能全程检测锂电池的端电压 电流 温度和充放电 安时累计值 确保锂电池不会因过度充电和过度放电而折寿 还应 给出比较准确的锂电池剩余电量 SOC State 0f Charge 估计 具 体要求如下 1 锂电池端电压 42V 54V 测量单节电池电压 2 锂电池放电电流的检测 3 锂电池温度检测 测量范围为 55 到 125 温度 分辨能力为 0 03125 4 可测量电池 Ah 数 3 23 2 系统总体设计方案系统总体设计方案 分析设计要求 将系统分为三大模块 采集模块 数据处理模 块 显示报警模块 3 2 1 系统整体结构 基站锂电池每组为 48 伏 由四节 12V 锂电池成 由于各单节电 池存在差异 而锂电池的性能由最差的单节电池决定 所以检测系 统需要检测每节锂电池的状态 由于串联的各个锂电池的直流电位 不共地 不能直接挂在单一总线上传输数据 所以每个 DS2438 数 据采集板要采取光耦隔离措施 并将单线制改为收 发两线制 分 别挂在收 发两根线上与单片机进行通信 电池采样数据送至单片 机处理 处理结果通过液晶显示 当检测到单节电池异常 通过蜂 鸣器报警 整体结构图如下 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 8 图 2 1 系统整体结构图 主要名词解释 电池 蓄锂电池中单节电池 采样板 核心器件使用 DS2438 进行电池状态采样 芯片需紧贴 电池 单片机 采用凌阳公司的十六位单片机 键盘 设置三个按键 功能分别为选择 确定 跳过 按键主 要用在 ID 识别部分 可以与采样板上的开光组合应用 实现采样器 件与电池物理位置的对应 显示 使用 lcd1602 液晶显示电池的状态 报警 使用蜂鸣器实现 当有单节电池出现故障 显示故障发 生在几号单节电池 并实施报警 3 2 2 采集模块 采集模块主要使用 DS2438 进行电池状态采集 光耦解决锂电池不共地 收发信号不能在单根总线上传输的问 题 设计使用 TLP521 1 单光耦实现 其管脚如图 2 2 所示 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 9 图 2 2 自锁开关辅助程序实现 ID 号的读取功能 使单节电池的物理地 址与其 ID 号对应 3 2 3 数据处理模块 该模块采用 SPCE061A 单片机为控制核心 实现对 DS2438 中采 集的数据进行读取 处理 然后将处理结果传至显示模块 3 2 4 显示报警模块 低压高温报警蜂蜜器如图 2 3 所示 显示部分为 LCD1602 图 2 3 液晶显示器如图 2 4 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 10 图 2 4 LCD1602 4 4 锂电池检测系统硬件设计锂电池检测系统硬件设计 4 14 1 总论总论 采样器件使用的是具有单总线技术的器件 从而大大的减少了 硬件电路的复杂程度 硬件部分主要包括采集电路 单片机最小系 统 报警电路 整体设计框图如图 4 1 图 4 1 整体框图 各部分硬件电路实现如下各节论述 4 24 2 采集部分采集部分 核心器件为 DS2438 需要对锂电池电压 电流进行采样 采用 光耦隔离 处理单片机与目标电池地的隔离问题 ID 识别控制部分 与程序结合实现单总线器件与电池的对应问题 同时该设计为后续 采样板维护提供了便利 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 11 4 2 1 5V DS2438 供电电路 单节锂电池电压为 12V 供给 DS2438 器件电压需要 5V 电 采 用 7805 稳压器给器件供电 图 4 2 4 2 2 A D 转换分压电路 单节锂电池端电压 12V DS2438 芯片转范围 0 10V 给锂电池 端电压两伏的波动余量 选定一个电阻 1M 未知分压电阻设为 R 计算公式如下 14 1M 1M R 10V 得 R 390k U 实际为实际单节锂电池的电压 U 测量为 DS2438 测量的电压值 根据如下公式 可以在单片机中完成测量值转换为 实际值 U 实际 U 测 1M 0 39M 1M 图 4 3 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 12 4 2 3 低通滤波器电路 对电流的采集电阻的选择 应不影响电池的使用 顾选择小阻 值电阻 且电阻精度要求高 设计采用 Rsens 0 025 电阻 为了 抵抗电池干扰 设计 RC 低通滤波器 通过计算选择 R 100K C 0 1uF 截至频率为 F 1 2 RC 15 9Hz AD 转换频率 36 41Hz 可以有效地滤除剑锋脉冲 保障电流累 加器准确获取采样信号 图 4 4 4 2 4 光电耦合隔离电路与 ID 读取控制部分 隔离电路图 4 5 所示 电路图中的 R 26 为 DQ 总线的上拉电阻 光耦采用非线性光耦 TPL521 1 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 13 图 4 5 光耦隔离 ID 读取控制部分电路 将读取的 ID 号与电池的物理位置相对应是 ID 读取要实现的功 能 图 3 5 中 K2 按键为自锁按键 ID 读取时 不被读取的器件断 开 只允许单个器件在线 不需要进行 ID 读取时 按键闭合 循环 检测单节电池 配合图 3 6 所示按键实现 ID 读取功能 图 4 6 按键 4 34 3 单片机系统单片机系统与报警电路与报警电路 单片机采用凌阳十六位单片机 报警电路主要是用蜂鸣器实现 当采集数据显示需要报警时 单片机发出脉冲信号使得蜂鸣器报警 如图 4 7 所示 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 14 图 4 7 单片机系统 5 5 锂电池检测系统软件设计锂电池检测系统软件设计 5 15 1 IDID 初始化程序初始化程序 源代码见附录 程序流程如图 5 1 所示 图 5 1 维斯特里离子电池使用寿命 老化检测系统 V1 0 山东威斯特车业有限公司 15 5 25 2 主循环程序主循环程序 图 5 2 主循环程序 当温度高于 50 时系统报警提示 以