动力电池系统数据采集系统

摘 要 1 摘摘 要要 随着石油等化石燃料的日益枯竭 环境问题越来越严重及人们环保意识的 逐渐增强 准绿色新型产品 混合动力汽车登上历史舞台 电池是电动汽车的动 力 也是电动汽车的关键部件 也是制约电动汽车发展的关键 新能源动力电 池产业随同动力汽车获得飞速发展 制约电动汽车发展的重要因素之一是 1 动力电池的使用寿命和安全性 2 动力汽车的生产成本 动力电池的使用寿命 能大大降低动力汽车的生产成本 电池管理系统即 BMS 通过测量电池组工作时其电压 电流 温度等对电 池组进行监测 保证电池组的工作运行良好高效 从而保证整个系统的正常运 作 本文介绍了以飞思卡尔单片机 MC9S12XS128 为主控单片机芯片 通过传 感器 DS2438 对动力电池组进行电池电压 电流 温度测量 完成 AD 转换 STC89C52 单片机对 DS2438 传输过来的数据进行读取和处理 通过 CAN 总线 传输到主控单片机 MC9S12XS128 MC9S12XS128 单片机通过读取的数据完成 对电池的 SOC 状态估计 同时 主控芯片将读取的数据通过 RS232 串口通信 传输到 VB 界面显示 在系统的设计过程中 为建立简单有效的系统 需要建 立良好的电池内部模型 以便于对系统做 Simulink 系统仿真时 主控单片机芯 片对电池做 SOC 状态估计 关键词关键词 DS2438 STC89C52 飞思卡尔单片机 MC9S12XS128 VB 人机界面 ABSTRACT 2 ABSTRACT With the increasing depletion of oil and other fossil fuels environmental issues become more and more serious and the gradual increase of the awareness of environmental protection new quasi green products hybrid cars will be on the historical stage and the battery is not only the power of electric vehicle but also a key component of the electric car At the same time it is the key to restricting the development of electric vehicles new energy power battery industry along with the development of electric vehicle rapid An important factor restricting the development of electric vehicles are battery life security and electric vehicle production costs The life of the power battery powered vehicles can greatly reduce the cost of production BMS battery management systems work by measuring the battery voltage current and temperature monitoring of the battery pack So that the battery pack can ensure a good and efficient operation of the work so as to ensure the normal operation of the system This paper introduces the Freescale MCU MC9S12XS128 as the main control chip microcontroller through the sensor DS2438 battery pack for battery voltage current temperature measurement the completion of AD conversion STC89C52 DS2438 microcontroller to read the data transmitted and processed through CAN bus to the host microcontroller MC9S12XS128 MC9S12XS128 microcontroller through the read data to complete the SOC of the battery state estimation while the master chip will read the data through the RS232 serial communication transmitted to the VB interface display In the system design process in order to establish a simple and effective system the need to establish a good battery internal model in order to make the system Simulink system simulation the host microcontroller chip on the battery do SOC state estimates Keywords DS2438 STC89C52 Freescale microcontroller VB interface 目 录 3 目目 录录 摘摘 要要 1 1 1 课题研究背景 1 1 2 电池管理系统 BMS 在国内外的发展 3 1 3 设计总体方案的确立 3 1 4 小章总结 4 第二章第二章 系统方案的确立系统方案的确立 5 2 1 传感器 5 2 2 光电隔离 6 2 3 数据采集部分处理器 7 2 4 主控制器 7 2 5 数据传输 8 2 6 动力电池放电模型及 SOC 估计算法 9 2 7 VB 人机界面 13 2 8 本章小结 13 第三章 硬件电路模块 14 3 1 数据采集模块 DS2438 14 3 2 STC89C52 模块 17 3 3 CAN 及 RS232 串行通信模块 19 3 4 本章小结 21 第四章第四章 数据采集系统软件部分数据采集系统软件部分 22 4 1 DS2438 数据采集程序 22 4 2 MCP2515 软件程序部分 26 4 3 本章总结 28 第五章第五章 数据采集系统设计成果数据采集系统设计成果 29 第六章第六章 展望展望 总结总结 31 参参 考考 文文 献献 33 附附 录录 35 目 录 4 绪 论 1 第一章第一章 绪论绪论 1 11 1 课题研究背景课题研究背景 自从英国工业革命开始 煤炭等不可再生的化石能源逐渐代替了传统能源 汽车也逐步取代传统的交通工具 在人们的日常生活中占据越来越重要的 然 而 随着世界范围内人类无节制的开采与使用 煤炭 石油等化石燃料逐渐匮 竭 能源危机正在加剧 与此同时 科学技术的不断进步与提高 人们的环保 意识逐渐增强 环境问题越来越严重 都促使人们去寻找一种更加符合现代化 社会需要的新型能源 取代旧的传统燃料电池为汽车提供动力 因此 世界范 围内 传统的燃料为动力的汽车逐渐被人们所淘汰 动力电池产业获得了发展 的新的转折点 有了质的突破 而新型的以动力电池为动力驱动的动力汽车也 获得了各国汽车行业的领头人的重视 飞速的发展 混合动力汽车和纯动力汽 车逐步走向人们的视野与生活 1886 年德国制造了世界上第一辆汽车 不过百余年历史 全球范围内汽车 保有量已达到 7 亿辆 汽车逐步取代其他交通工具 与人们的日常生活与工作 息息相关 然而众多内燃机汽车 ICEV 每天排放的污染是全球气候变迁的重 要原因之一 与此同时 石油资源的逐渐匮乏也使得汽车行业面临严峻考验 因此 因此 汽车行业领头人逐渐意识到研究开发以可再生能源作为动力驱动 如酒精 太阳能等的新兴动力汽车是汽车行业发展的必然趋势 也是形势所迫 在这种情况下 混合动力汽车及纯动力汽车以其独特的高性能 环保绿色无污 染受到人们的青睐 1 1 1 混合动力汽车国内外发展现状 所谓新型动力汽车即是以可再生能源作为全部或者部分动力驱动的汽车 主要也即是电动汽车 电动汽车目前主流的有三种 1 是以传统的燃料电池如 镉电池等作为动力驱动的传统动力汽车 2 同时能够使用燃油和动力电池作为 动力驱动的混合型动力汽车 3 全部以新型动力电池作为动力驱动的纯动力汽 车 然而 尽管近几十年以来 尤其是进入二十一世纪以来世界范围内的经济 与科技获得了飞速发展 动力汽车行业并未能取得较大的突破 纯动力汽车并 没能够批量生产 反而 混合动力汽车有了重大突破 绪 论 2 毫无疑问 各国的汽车行业的领军企业在各个国家政府的支持下 凭借着 远超同行的科学技术 在新兴动力汽车行业先后取得突破 纯动力汽车和混合 动力汽车逐步取代了传统燃料电池为动力的动力汽车 1893 年 波舍尔公司也即现在的保时捷公司的创始人费尔南德 波舍尔造 出了世界上第一车用电动马达 1898 年制造出了两轮电动汽车即保时捷 目前 世界范围内 动力汽车特别是纯电动汽车技术发展较为成熟 技术远超同行的 的几个国家美国 日本及德国这几个国家 而只有日本的本田汽车公司和丰田 公司能够实现混合动力汽车的批量化生产销售 主导着世界上混合动力汽车市 场形势 反观美国 三大汽车公司通用 福特 克莱斯勒 戴勒姆公司相较于日 本汽车公司的蓬勃发展在混合动力汽车和蓄电池电动汽车行业则显得有些萧瑟 技术落后很多 仅仅实现了小批量生产 我国的动力汽车行业起步较晚 但是国家和政府投入了大量的人力 物力 财力用于自主研发拥有自己品牌的动力汽车 我国电动汽车项目实施以来在燃 料电池动力汽车和混合动力汽车方面均取得了重要突破 纯动力汽车已经通过 国家的相关体系认证 实现了小规模批量生产 混合动力汽车方面实际生产后 动力性能方面接近理论值 在污染气体排放方面降低很多 1 1 2 电动汽车发展面临的问题 虽然目前国际汽车市场上已有部分公司实现了混合动力汽车的规模化批量 生产 但是相对于大多数消费者而言 现有的混合动力汽车无论是在性价比还 是车辆性能方面 远远无法满足市场需要 主要是以下几个原因 1 电动汽车 的行驶里程有限 无法满足长远距离形行驶要求 2 市场油价过高 由于石油 资源的日益枯竭 国际油价始终居高不下 3 电动汽车的动力电池系统使用寿 命过于短暂 电动汽车电池管理系统随着电池的损耗 要实时的监控电池的相 关信息 缺乏优秀的电池管理系统保障系统的高性能运行 4 电动汽车价格过 高 目前市场上投入的电动汽车 由于电池管理系统的研发费用过高 电池使 用寿命短暂以及设计的相关技术原因致使电动汽车价格偏高 车载数据采集系统应用的另一个重要方面是车辆运行工况记录仪 又称汽 车 黑匣子 随着科学技术的飞速发展 美国 欧洲相继不断推出性能优良的 绪 论 3 车载数字式记录仪 其功能也日趋完善 美国国家运输安全委员会一直在强烈 要求汽车生产厂商安装记录仪 在它的推动下 GM FORD 等大公司已为数百 万出厂车安装了行车记录仪 日本汽车研究所研制出的 黑匣子 不仅能够记 录车辆事故发生的各种数据 而且它还能自动收入事故发生前 10 秒和后 5 秒 之间从驾驶室看到的画面 在我国随着汽车电子工业的不断壮大 在车载记录 仪产品方面也有大的发展 由北京森泰克数据通信技术有限公司研制的 绿匣 子 多功能汽车行驶监控记录仪 通过了公安部交通安全产品质量监督检测中 心和公安部安全与警用电子产品质量检测中心的严格测试 并已正式投入使用 1 21 2 电池管理系统电池管理系统BMS在国内外的发展在国内外的发展 BMS 也即动力电池系统数据采集系统的工作原理是通过对动力电池组进行 实时监测 从而将检测的动力电池工作电流 各单体电池电压 电池组运行过 程中总电压及电池工作时表面温度等电池相关信息采集并处理 并将采集到的 数据传输到预处理单片机芯片中 预处理单片机对数据进行处理和分析 根据 温度 电压 电流传感器检测的信息 分析结果 从而对系统各模块发送相应 的控制指令 从而实现对于电池组的实时监控 并且将处理后的实时数据显示 在人机界面 保证电池组的正常高效运行 制约电动车发展的主要因素之一是动力电池的使用寿命及安全性和使用成 本问题 而电池的使用寿命是降低成本的重要途径之一 为保证动力电池在正 常使用的过程中 能够高效稳定的为电动汽车提供动力 降低动力电池由于内 部各物质成分之间发生化学变化 造成的电池结构的损坏而导致的寿命 从而 降低动力汽车的生产使用成本 从而需要对电池进行良好的管理和维护 从而 延长其使用寿命 为此 世界各国汽车行业的领军企业均投入了大量人力 物 力 财力对电池管理系统进行研究开发 美国三大汽车公司均将电池管理系统 作为技术研发的工作重点 目前国内外电动汽车数据采集系统普遍存在的问题是数据采集的可靠性和 抗干扰性问题 由于电动汽车数据采集要求其硬件装置稳定性好 便携性好 同时其工作环境的复杂也给数据采集工作提出了较高的要求 系统的抗震性 抗干扰性以及对数据的存储能力 系统综合性能等都是需要考虑的重要因素 绪 论 4 1 31 3 设计总体方案的确立设计总体方案的确立 动力电池系统数据采集系统通过温度 电压 电流数字传感器 DS2438完成 对于电池组充放电电流各单体电池电压 电池正常工作时表面温度 及电池组 供电总电压的测量 完成 AD 转换 在 DS2438内部完成光电耦合隔离 传输到 STC89C52单片机预处理 STC89C52单片机预处理后的数据经由 CAN 总线传 输到 MC9S12XS128主控单片机芯片 主控单片机完成最终数据的反馈 各控 制指令的发送 控制各模块完成动力电池系统的监控反馈工作 必要时显示在 人机界面 其控制系统图如图1 1所示 电池组一 电池组二 电池组三 DS2438 DS2438 预处理51 单片机 主控单片 机 MC9S12 XS128 DS2438 预处理51 单片机 预处理51 单片机 CAN CAN CAN VB界面 RS232 图1 1 数据采集系统 1 41 4 小章总结小章总结 本章主要介绍了一些关于动力电池系统数据采集系统的相关信息主要由以 下内容 1 动力电池系统数据采集系统相关课题的研究背景 2 混合动力汽车的发展历程及现在国内外发展现状及现在面临的问题 3 电池管理系统 BMS 在国内外的发展现状 4 课题最后的方案的确立 将别业设计设研究的课题的相关内容的大体框架勾 勒了出来 通过本章关于动力汽车系统数据采集系统的一些信息的简要介绍 明确了 课题研究的重点与难点 为后续的相关工作明确的方向 系统方案的确立 5 第二章第二章 系统方案的确立系统方案的确立 动力电池系统数据采集系统数据所需要的硬件模块主要有传感器模块 光 电耦合隔离 数据采集部分处理器 主控单片机芯片及数据传输通信模块五个 模块构成 下面将对这五个部分分别进行论证和确立最终方案 2 12 1 传感器传感器 在前期做开题报告时选择了两种可选方案 一种是采用分立式数据采集 即各电芯电压值 总电压值 充放电电流值以及温度信息分别采用不同传感器 另一种是新一代智能电池监测芯片DS2438对动力电池系统电压 电流 温度进 行统一测量 通过对这两种方案做深入的对比分析以确定最终的方案 方案一 DS18B20对温度的测量 霍尔电流传感器采集电流信号 基于底 层ECU的电压测量 DS18B20是一种新型的智能温度传感器 其具有的特点 1 在实际的温度 测量系统中可以串联使用多个DS18B20并联使用 2 负压特性 即使当供电电 压源极性接反时 温度测量模块不会被烧毁 但是不能正常使用 3 支持多点 组网功能 4 能够通过编程的方式实现数字式读写 5 使用者可以根据实际 需要自行设定温度警戒上下限 6 可以通过串行通讯线USB可以给DS18B20供 电 7 采用单总线实现了传输数据到微处理器 8 在实际使用时不添加别的 外围元件也能单独使用 霍尔电流传感器 以下简称传感器 的特点 1 1 DS18B20内部采用的是补 偿测量温度 因此具有优于一般传感器的精确性和线性度 2 和别的普通的电 流传感器一样 DS18B20的输入和输出之间内部自带有光电隔离电路 不需要 搭建外围隔离电路 3 传感器磁路几乎是零磁通工作 在正常运行传输瞬时 采集数据时补偿工作 所以传感器是无电感性的元件 4 DS18B20本身是一个 闭环回路系统 所以能够不失真的传输电流信号 每种传感器都可以精确的实现数据采集 而且都具有较好的抗干扰能力 但 使用分立式数据采集存在电路结构复杂 处理器负载大 检修困难等缺点 方案二 使用新一代智能电池监测芯片及温度电压电流传感器于一身的传 系统方案的确立 6 感器DS2438对电池电压 电流 温度进行统一测量 DS2438具有功能强大 性能优越 高度集成化 硬件电路接线简单等优点 能够自动采集动力电池电压 电流和温度等实时参数 并将这些易失型数据放 在内部集成的EEPROM存储空间中 STC89C52单片机根据需要发出命令读取这 些参数 然后处理这些参数 显示电池的工作运行状态 与方案一相比具有如 下特性 2 1 通过一条单总线与单片机进行通信 避免了由于电池组数量线路的紊乱 2 DS2438内部自带有数字温度传感器 从而减少相应的数模转化接线排布 3 DS2438内部自带有电压电流温度AD转换 能够识别充放电流是否完成 4 DS2438内部集成有积分电流累加器 能够对于动力电池的充放电电流相 关信息予以实时记录 从而为MCU为电池做SOC状态估计片 5 4个字节的历时计数器 6 DS2438内部集成有40个字节的EEPROM用于存放非易失性的动力电池相 关信息 如动力电池的相关参数等 相对比于DS18B20 DS2438最大的特点是其灵敏度较高 而DS12B20其测 量灵敏度 0 5 而在电池组工作运行时 由于电池表面温度变化范围较小 0 5 远远不能满足系统所需 综上所诉 方案二在实用性 功能 成本等方面都优于方案一 故我们确 定使用DS2438作为本项目的数据采集传感器 2 2 2 2 光电隔离光电隔离 在实际的动力电池系统数据采集系统中 由于常常需要采集多处电池的相 关信息 而且电池所在的地方往往处于高电压周围 因此 需要采用总线结构 完成相关数据的传输工作 但是在数据的传输过程中需要避免输入与输出之间 的相互干扰 同时又不能影响信号的传输速率 因此一般来说都是采用光电耦 合隔离处理 较为常见的是 6N137 6N138 予以控制系统的光电隔离 光电隔离是通过将发光二极管和光敏三极管集成于一体 利用发光二极管 系统方案的确立 7 的伏安特性和光敏三极管的伏安特性的组合完成中间电 光 电的相关信号转换 从而实现输入和输出信号的隔离 避免了输入和输出信号的相互干扰 利用光电耦合隔离对本项目中的模拟输入输出数据 数字输入输出及通讯 进行隔离处理 使测控 处理装置与现场信号之间 人机交互处理中心所在的 弱电和动力电池组所在的强电之间仅仅保持信号的传输 不直接发生电气的联 系 从而可以保证系统运行更加稳定 6N136 同时具有电压 电流和温度补偿 功能 同时 6N136 采用高度集成化 抗干扰能力强 数据传输速度快 信号 不失真等优点 可以很好的满足本系统的要求 所以采用 6N136 或 6N137 作为 本系统光电耦合器件 但是在使用的过程中 需要注意的是光电耦合隔离对于 动力电池系统电流的传输速率较低 因此选取光电隔离时光敏三极管的负载电 阻阻值需要适宜 既不影响输出的电压的幅值 同时保证了数据的传输速率 2 32 3 数据采集部分处理器数据采集部分处理器 数据采集中所用单片机需要对数据进行 A D 值的换算 数据辨别分类处理 和与总线进行数据交换 拟采用 51 单片机 因确定采集系统采用 DS2438 其 片内自带 A D 转换器 故数据采集单片机仅需完成数据辨别分类处理和与总线 进行数据交换 所需单片机无需太过高级 其稳定性更为重要 51 单片机诞生 至今已有几十年的时间 其技术成熟 运行稳定 4 而且其功能完全可以满足 本项目的要求 其具备如下功能和特点 1 可以仿真 63K 程序空间 接近 64K 的 16 位地址空间 满足 DS2438 采集程 序和数据通信程序的要求 2 拥有全部 64K 的 16 位地址存储空间 3 拥有 4 组 32 个 IO 引脚 DS2438 为单总线通信 仅需一个 I O 引脚 4 可以在仿真环境下进行单步 断点 全速运行等操作 5 可以使用 C 语言或者汇编语言编写相应软件进行相关调试 6 STC89C52 应用范围广 使用者可以根据实际系统的需要自行选择相应的晶 振平率 本次动力电池系统数据采集系统中选用的是宏晶科技生产的新一代 8051 单 片机 其生产的 STC89C52 单片机完全兼容传统 8051 单片机指令代码 性能稳 定且价格低 符合本系统对数据采集用微处理器的要求 系统方案的确立 8 2 42 4 主控制器主控制器 主控板是电池管理系统的核心 它一方面完成与上位机的通信功能 即将 系统电压 电流 温度和 SOC 等信息实时显示和绘制图表 并接受上位机的 控制信息 实现对整个系统的实时控制 另一方面管理系统的 CAN 子网 接 收来自采集板的数据即电池组的电压 电流以及温度 并将采集到的数据存储 起来 然后将采集到的数据进行电池组 SOC 的估算 因此 对控制器具有相 当高的要求 首先 要具有足够高的总线工作速度 因为主控制器不仅要完成 数据采集功能 还要进行复杂的 SOC 估算 因此 必须有足够高的总线速率作 为支持 其次 要有足够丰富的引脚 因为 主控机除了要完成数据采集 处 理以及与上位机的通信的功能外 还应具有故障报警 故障处理等功能 引脚 过少不足以满足本实验的要求 最后 还应集成 CAN 模块 因为整个系统是 依靠 CAN 总线进行通信的 如没有 CAN 模块实现起来比较复杂 目前比较常用的 51 系列的单片机 操作虽然比较简单 但工作速率不高 引脚也太少 不能满足本实验的要求 ARM 虽然具有足够高的工作速率以及丰 富的引脚 但学习起来比较困难 而且没有集成 CAN 模块 因此实现整个系 统的通信有些困难 对于飞思卡尔半导体公司的 MC9S12XS128 单片机 其内 部集成了 CAN 总线模块 可以实现整个系统的通信 高达 80 MHz 的总线速度 可以实现数据的快速处理 而且具有丰富的外部引脚 可以充分满足本实验的 要求 5 除此之外 我院刚建立了飞思卡尔实验室 使用的就是 16 位的飞思卡 尔单片机 而且有经验丰富的老师作为指导 故本实验选用飞思卡尔半导体公 司的 MC9S12XS128 单片机作为主控芯片 2 52 5 数据传输数据传输 2 5 1 控制器间的数据传输 不论是 8 位 16 位单片机还是 32 位单片机 也不论是 STC89C52 单片机还 是 MC9S12XS128 单片机 单片机的基本系统模块之间都是通过异步串行通信 接口实现的 而串行通信方式是人与计算机之间实现人机交互的基本通信方式 系统方案的确立 9 单片机系统里 常见的串行接口有 SPI 接口 CAN 总线接口标准 增强 型 UART 接口 USB 接口 I2C 总线接口等 在搭建实际的控制系统中 使用较为常见的是 USB 接口和 CAN 总线接口 在本次的数据采集系统中 由于需要模拟实际系统的需要 因此采集的动 力电池组各方面信息较多 如果采用一般的接线方式 预处理单片机与主控单 片机之间的通信线路会非常的杂乱无章 而且 在实际系统中 预处理单片机 和主控单片机之间的距离会较远 因此采用 CAN 总线的方式实现预处理单片机 与主控单片机之间的通信会非常方便 只需要一根数据线即可将所有的数据汇 总到主控单片机 CAN 控制器是 Controller Area Network 即控制器局域网 在控制系统中 使用 CAN 总线结构 能够简化系统中的线路 CAN 总线模块的功能是实现对 于由于连接在 CAN 总线上的数据的接受和发送 即预处理单片机上接收数据 并且将数据传输到主控单片机上 同时接受主控单片机发送的控制指令 传输 到预处理单片机 CAN 总线的传送速率影响着 CAN 总线的物理长度 这是由 CAN 的应答机制决定的 当接收模块接收到 CAN 总线发送的信息时 必须在 CAN 总线的应答间隙时间内 发送一位显性电平 表示已成功接受 CAN 总 线本身内部的集成模块决定自身有很强的抗干扰能力 本次设计中选取的是 MCP2515 作为 CAN 总线结构 MCP2515 是一款独 立 CAN 控制器 该器件主要由三个部分组成 1 CAN 总线模块包括三个发送缓冲器和两个接受缓冲器 2 用于保障 MCP2515 正常运行的相关器件及存储器 3 同步串行接口 SPI 协议模块 由于 MCP2515 采用 SPI 总线作为接口与单片机进行通信 故接口相对于 SJA1000 的并行接口要简单 而且数据传输稳定 因此最终采用 MCP2515 作为 本系统的 CAN 控制器 2 62 6 动力电池放电模型及动力电池放电模型及SOCSOC估计算法估计算法 为了在实验之前初步了解锂离子电池的各方面特性 需要建立电池的数学 模型和 SOC 估算算法的仿真研究 获得电池性能参数 放电电流 端电压 剩 余电量等 随放电时间的变化规律 10 将这一规律作为以后实验校验采集的电 系统方案的确立 10 池数据和 SOC 估算值的理论依据 1 电池放电模型 I o V i R d R d V b V d C b C 图 2 1 简化的等效电路模型 简化的等效电路模型可以写成 2 1 xf x uw G 2 2 yg x uv 其中 2 3 2 11 b ddd u k C f x u xu RCC 2 4 12 i g x uk xxR ud 是噪声矩阵 和 分别表示过程噪声和测量噪声 用以 0 010 01 T wv 表征动力电池工作时受到的未知干扰 将和进行一阶 Taylor 展开 得 f x u g x u x t u tx t u t f x uf x u fx ufx tu txu xu dd x t u tx t u t g x ug x u g x ug x tu txu xu 由式 2 3 和式 2 4 所示的动力电池的非线性模型线性化为 2 5 tt xA xB uw ddd G 2 6 tt yCxD udvddd 其中 系统方案的确立 11 00 1 0 tx t u t dd f x u A x R C 1 1 b tx t u t d kC f x u B u C 1 tx t u t g x u Ck x tix t u t g x u DR u 将线性化模型离散 得到电池的线性离散模型 2 7 1kkkkkk xAxBuw G 2 8 kkkkkk yCxDudv 将 2 7 2 8 两式转化为MATLAB Simulink里的电池模型如图2 2所示 程序如图2 3所示 图 2 2 MATLAB Simulink 电池模型 2 算法的仿真测试 在建立的电池模型基础上 进行扩展卡尔曼滤波仿真 步骤如下 非线性系统的状态空间模型为 2 9 1 kkk xg k xw 2 10 kkk yh k xv 其中 和是独立的零均值高斯白噪声 协方差矩阵分别为和 k w k v k Q k R 定义 系统方案的确立 12 1 k k kkx x k x x g k x G x h k x H x 初始化 时刻 令0k a 先验状态估计 1 kk xg k x b 误差协方差矩阵 11 11 T kk kkk kk PGP GQ c 卡尔曼增益 1 TT kkkkkkk LP HH P HR d 状态估计更新 kkkkk xxL yh k x e 误差协方差矩阵更新 kkkk PIL HP MATLAB 程序如图 2 4 所示 在已经搭好的电池模型上使用该算法得出仿 真曲线如图 2 5 2 10 所示 图 2 5 放电电流 图 2 6 电容器电压 图 2 7 SOC 估算值 图 2 8 SOC 估计值与实际值比较 系统方案的确立 13 图 2 9 电压测量与实际值比较 图 2 10 SOC 估计误差图 2 72 7 VBVB人机界面人机界面 VB 人机界面在前期工作中我们建立了一个 VB 显示界面 可选择需要显示 的界面 细化了和增加了显示内容和功能 具体有如下 1 充分考虑各单体电池的差异性 对它们分别进行电压 电流和温度的采集 从而估算出各自的 SOC 2 充分利用了 VB 在工业领域应用的优势 最大程度上增强该软件的可移植性 为今后应用于工控机等其他平台做好准备 3 在实际中整个动力电池组中的电芯数量可能会多达几百个 在这种高压应用 场合 使用光电耦合元件 在保证系统数据安全的同时也可保证驾驶员及乘客 人身安全 4 采用分步式设计方法对该系统进行设计 各模块相互独立 通过总线进行通 信 提高了系统的可靠性 同时也使该系统易于维护和扩展 升级 2 82 8 本章小结本章小结 本章主要介绍了设计中动力电池系统数据采集系统中所用各模块的选取以 及在实际应用系统时 元件的确定 1 主要介绍了数据采集系统中预处理单片机和主控单片机的选取以及温度度 电流 电压传感器的选取 2 简要的介绍了系统中主控单片机和预处理单片机数据交换间的通信方式的 选择 3 本章最后简要的描述了电池模型的确立 为后续工作做准备 硬件电路模块 14 第三章第三章 硬件电路模块硬件电路模块 动力电池系统数据采集系统其主要任务是对电池组完成电池组总体电压 各单体电池电压 电池工作电流及电池表面温度的测量 DS2438 完成以上任务 并且对于采集的数据完成 AD 转换 并且将数据传输到预处理单片机 STC89C52 单片机 在实际使用时 由于需要测量的动力电池组比较多 而且 位置分布会相隔远 难以对每个动力电池组均配以 MC9S12XS128 予以分别处 理数据与显示 而且 MC9S12XS128 单片机芯片价格相对于 STC89C52 来说要 贵很多 用 STC89C52 单片机处理单组电池来说完全足够 因此选择 STC89C52 单片机完成对于 DS2438 测量数据的处理工作 为了使数量较多的测 量的动力电池组的工作状态清晰有条理的显示 方便管理 因此选择 MC9S12XS128 作为主控单片机芯片 完成和人机界面的交互协作 在主控单 片机和预处理单片机之间选择 CAN 总线 而人机界面和主控单片机之间选择 RS232 串行通信 系统的结构框图如图 3 1 所示 电池 组一 电池组 二 电池组 三 DS243 8 DS2438 预处理 51单片 机 主控单片机 MC9S12XS128 DS2438 预处理 51单片 机 预处理 51单片 机 VB界面 RS232 MCP25 15 MCP25 15 CAN MCP25 15 MCP2515CAN CAN 图 3 1 系统硬件结构图如上 3 13 1 数据采集模块数据采集模块DS2438 DS2438 经过前期的实验和比较验证 最终确立采用 DS2438 作为系统的 数据采集传感器 DS2438 作为数据采集模块的最大困难是它采用 1 Wire 单总 线通信 DQ 是它唯一的 I O 口 单总线结构简单 但它的编程及调试是一大障 碍 经过努力 成功实现了单片机与 DS2438 的单总线通信 3 1 1 DS2438 硬件部分 其结构图如图 3 2 所示 硬件电路模块 15 图 3 2 DS2438 硬件电路 DS2438 的封装引脚图如图 3 3 所示 图 3 3 DS2438 封装引脚图 各管脚说明描述如下 1 GND 接地 2 VSENS 电池组电流测量输入午安 3 VSENS 电池组电流测量输入端 4 VAD 电池组电压测量输入端 5 VDD 供电电压端 6 7 NC 悬空不接 8 DQ 数据单总线输出端 3 1 1 DS2438AD 转换分压电路 DS2438 电压分压测量部分电路如图 3 6 所示 硬件电路模块 16 图 3 6 分压测量电路 DS2438 在测量电池组电压时 系统中使用的是分压测量法 内部 AD 转换 的满量程值为 10 V 左右 有 10 位的分辨率 分辨率为 10 mv 所以当电池组 的电压较低接近于 0 V 时 测量转换结果不准确 因此在实际进行系统测试时 当电池电压低于 2 4 V 时需要更换电池组 以使测量结果更加准确 单节蓄电池端电压 12V DS2438 芯片 AD 数模转换范围 0 10V 例如当选 定一个电阻 1K 未知分压电阻设为 R 计算公式如下 3 1 14 1 10 1 k v kR 得 R 390 U实际为实际单节蓄电池的电压 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 3 2 10 39M 1M UU 测量实际 3 1 2 DS2438 低通滤波部分 低通滤波部分电路如图 3 7 所示 图 3 7 低通滤波电路 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 1K 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 3 3 1 F15 9Hz 2RC 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 硬件电路模块 17 样信号 3 2 STC89C52模块模块 STC89C52 模块在本系统中的硬件电路连接图如下图 3 8 所示 图 3 8 STC89C52 硬件电路 STC89C52 单片机由 CPU 数据存储器 RAM 程序存储器 ROM 特殊存储器 4 个 I O 口 串行口 定时器 计数器 中断系统等八个功能部件组成 结构图 如图 3 8 所示 CPU 时钟电路定时器 计数器RAMROM 中断系统串行接口并行接口 图 3 8 单片机内部结构 3 2 1 单片机复位电路 单片机复位电路是单片机最小系统的主要组成部分之一 复位电路给单片 机在系统的调试时提供方便 其中外部复位电路可以通过使用简单的按钮加电 硬件电路模块 18 阻电容构成 也可以使用专门的复位电路集成芯片 如果是使用的复位电路集 成芯片 需要注意的是 在使用 BDM 调试工具时 主控单片机芯片和复位电 路芯片时钟的兼容性 本次设计使用的是电阻电容构成的外部复位电路如图 3 9 所示 其主要有 10 F 的电容 1K 的电阻及复位按钮构成 当复位按钮按下时 复位电路提供一个高压电平信号使单片机复位 图 3 9 STC89C52 复位电路 3 2 2 单片机晶振电路 单片机的晶振电路的布局需要考虑到以下情况 只有按照相应的规则布置 线路 才能使得系统的电磁兼容性得到保证 首先 晶振电路需要尽量的靠近 单片机的外部时钟电路接线引脚 才会使得电路的焊接较为简单 STC89C52 的引脚 XTAL1 和 XTAL2 与电容 C8 C10 和晶体振荡器按图 2 3 所示的方式进行连接 晶振和电容 C8 C10 及片内的与非门共同构成了电容 三点式振荡器 振荡信号的频率与电容 C8 C10 的容量及晶振的频率有关 但 振荡信号的频率主要是由晶振的频率来决定的 其范围在 0 33MHz 之间 电 容 C8 C10 取值范围在 5 100pF 之间 由于本设计需要进行串口通信 而采 用 11 0592MHZ 做系统的外部晶振可以产生标准的波特率 其他频率的的晶振 会产生累积误差 因此晶振选择 11 0592MHZ 电容取值为 100pF 原理图如下 图 3 10 所示 硬件电路模块 19 图 3 10 STC89C52 晶振电路 3 33 3 CAN及及RS232串行通信模块串行通信模块 3 3 1 CAN 总线通信模块 在本次的数据采集系统中 由于需要模拟实际系统的需要 因此采集的动 力电池组各方面信息较多 如果采用一般的接线方式 预处理单片机与主控单 片机之间的通信线路会非常的杂乱无章 而且 在实际系统中 预处理单片机 和主控单片机之间的距离会较远 因此采用 CAN 总线的方式实现预处理单片机 与主控单片机之间的通信会非常方便 只需要一根数据线即可将所有的数据汇 总到主控单片机 CAN 总线模块要实现的功能是将 DS2438 传感器检测的动力电池组的电池 组总体电压 各单体电池电压 电池充放电电流及电池表面温度等传输过来的 信息 预处理单片机 STC89C52 传输进来的以及主控单片机 MC9S12XS128 发 送的相关控制指令信息进行统一汇总接收与发送 发送数据时 首先将信息存 储到相应的数据缓存器和控制寄存器中 然后 通过对 SPI 内部控制寄存器的 相关位进行设置操作 或者通过对使能引脚进行操作 从而实现数据的开始发 送 通过读取相应的控制寄存器的各个位的值 了解数据传输的相关状态 如 是否正常发送与接收 数据接收是否完成 能否开始下一轮的数据传输等等信 息 CAN 总线发送数据和主控单片机一样 有数据发送优先级 是指 MCP2515 内部等待发送的接收到的存储在缓存空间的数据的优先级 在发送起 始 SOF 之前 MCP2515 将存储的等待发送的信息进行优先级的比较 如果两 个缓存空间的数据优先级相同 则优先发送数据存储编号较高的 CAN 总线通信在系统中的硬件电路连接图如下图 3 11 所示 硬件电路模块 20 图 3 11 CAN 总线通信硬件连接图 CAN 总线的典型系统实现方法如下 3 12 所示 节点控制器节点控制器节点控制器 MCP2515MCP2515MCP2515 XCVRXCVRXCVR SPI SPI SPI TX TX TX RX RX RX CAN总线 图 3 12 CAN 总线实现方法 由于在本次实际系统设计中 使用了 MCP2515 部分引脚 特将部分引脚功能 说 硬件电路模块 21 明如表 3 1 所示 表 3 1 引脚功能图 名称引脚标号引脚功能图说明 OSC28时钟震荡器的输出引脚 OSC17时钟震荡器的输入引脚 INT11中断输入引脚 SCK12SPI 时钟输入引脚 SI13SPI 数据输入引脚 SO14SPI 数据输出引脚 CS15SPI 片选输入引脚 3 3 2 RS232 串行通信模块 RS 232 是 IBM PC 及其兼容机上的串行连接标准 在许多的途径中都能应 用 比如用来连接打印机和鼠标 同时它也可以用于工业仪器仪表的连接 连 线和驱动的改进也可以用起来实现 在实际的日常生活中使用的 RS 232 的传输 的速度或者是传输长度通常是超过标准值的 RS 232 只是局限于 PC 串口与设 备之间的点对点的通信 RS 232 与单片机的硬件接线图如 3 11 所示 图 3 11 RS 232 与单片机的硬件接线图 3 43 4 本章小结本章小结 本章主要介绍了动力电池系统数据采集系统的硬件电路 主要由以下内容 硬件电路模块 22 1 DS2438 的各部分功能及在实际系统中的硬件电路连接图 同时介绍了系统 使用的部分引脚 2 STC89C52 预处理单片机硬件电路连接图及晶振时钟 复位电路 数据采集系统软件 23 第四章第四章 数据采集系统软件部分数据采集系统软件部分 本章主要介绍了动力电池系统数据采集系统的软件部分 即 DS2438 电压 电流温度监测模块数据采集程序 CAN 总线通信模块 MCP2515 软件部分及主 程序部分 4 1 DS2438数据采集程序数据采集程序 4 1 1 DS2438 的软件工作的软件工作 电量采集流程图如图 4 1 所示 开始 复位 应答 ROM匹配 复制01页 至暂存器 复位 应答 ROM匹配 读取暂存 命令 读取电量复位应答 ROM匹配 复制07页 至暂存器 复位应答 ROM匹配 读取DCA CCA 返回测量 值 是 是 否 否 否 图 4 1 电量采集程序流程图 电压电流温度的测量流程图如图 4 2 所示 开始 复位 应答 ROM匹配读取电压复位 应答 ROM匹配 读取暂存 命令 读取温度复位应答 ROM匹配 复制07页 至暂存器 复位应答 ROM匹配 读取温度 电压电流 返回电压 电流温度 值 是 是 否 否 否 图 4 2 电压电流温度程序采集流程图 4 1 2 DS2438 内部测量原理 利用 DS2438 测量电流 温度以及电压的原理如下 1 电流 数据采集系统软件 24 4 1 current 4 4096 R I XR 4 2 remaining4 2048 UICAR DS2438 内部电流转换映射表如图 4 1 所示 表 4 1 电流转换映射表 2726252423222120 MSb unit 0 4882 m V hr LSb I 是所测电流 Current Register 是电流寄存器值 ICA 是电流累加器值 DS2438 调整电流数模转换过程如下 1 向偏置寄存器写入 0 2 驱动低电流通过上拉电阻 3 读取 DS2438 内部电流寄存器值 4 通过在状态 配置寄存器置 0 IAD 位 关闭电流模数转换器 5 改变当前读取的电流寄存器的值的符号 转换成二进制补码的形式 并将结 果写入偏置寄存器中 6 通过将状态 配置寄存器中的 IAD 位置 1 开启电流模数转换器 DS2438 内部电流测量及转换软件实现方法如下 unsigned int DS2438 Read Current unsigned char x unsigned char temp C 9 unsigned int Current DS2438 init WriteOneChar DS2438 CMD ROM SKIP WriteOneChar DS2438 CMD MEMORY CONVERTV 0 xB4 DelayMs 10 DS2438 init x WriteOneChar DS2438 CMD ROM SKIP x WriteOneChar DS2438 CMD MEMORY RECALL x 0 xB8 数据采集系统软件 25 WriteOneChar 0 x00 DS2438 init x WriteOneChar DS2438 CMD ROM SKIP x WriteOneChar DS2438 CMD MEMORY RE