基于串口通信的蓄电池校准系统的设计

电源技术

基于串口通信的蓄电池校准系统的设计

DesignofBatteryCalibrationSystemBasedonSerialCommunication

(北京交通大学)

朱峰姜久春王占国

ZHUFengJIANGJiu-chunWANGZhan-guo

摘要:针对电动汽车蓄电池管理系统存在的电压检测精度问题以及产业化问题,本文介绍了一种单体电压全自动校准方案。首先分析了电压检测精度较低造成的影响,然后给出校准原理,给出了硬件电路设计方案及软件设计程序框图,最后分析实验结果,与实际值相比较,从而得出其优缺点。该设计目前已应用于蓄电池管理系统校准实践中,证明了其高精度、方便快捷的特点。

关键词:电动汽车;蓄电池;串口通信;单体电压;校准中图分类号:TP302文献标识码:B

Abstract:TosolveTosolvetheproblemofvoltagedetectionaccuracyinthebatterymanagementsystem,aswellastheindustrializa-tionproblem,thispaperintroducedasinglevoltageautomaticcalibrationprogram.Firstofall,weanalyzetheimpactofthelowvolt-agedetectionaccuracy,thengivethecalibrationprinciple,givethehardwarecircuitdesignandsoftwaredesignprocessdiagram,fi-nally,analyzetheexperimentresultsandthencomparewiththeactualvaluesoastogetitsstrengthsandweaknesses.Thedesignhasbeenusedinbatterymanagementsystemcalibrationpractice,itshighaccuracyandconvenientfeatureshavebeenproved.Keywords:electricvehicle;storagebattery;serialcommunication;singlevoltage;calibration

引言(Introduction)

电池的性能跟电池的电压有非常密切的关系,电池电压的不均衡性是电池故障的前兆,严重过压或欠压是电池损坏的标志之一,所以电池电压准确而稳定的测量对于管理系统而言是最基本的,对电池的性能评价有重要的意义。但是在蓄电池管理系统出厂前,AD芯片测量值需要先进行校准才可以保证其精度。同时,在电池使用中也会出现测量值与实际值相差较大的情况,不能准确的反映电池电压的变化,这时也须对其进行校准。为了适应产业化要求,又要求校准板具有方便快捷的特点。本文设计了基于MC9S12系列单片机的校准方案,完成继电器切换、与蓄电池管理系统通信的功能,并且实现键盘输入控制、液晶同步显示。

1校准原理(Theprincipleofcalibration)

电池管理系统(BMS)单节电压的测量采用差模方式,CPU通过74HC138译出8种状态,再经过74HC245驱动光控MOS继电器AQW214,依次对电池进行选通测量。下面以四节电池为例,其框图如图1所示。

测量芯片选用的是Maxim公司的MAX111。正常情况A/D转换结果范围应在0-20000。电池电压测量过程为:当测量电池B1的电压,则闭合开关S1(其余开关全部断开),此时Vin=VB1,经过A/D转换芯片、光耦隔离送入CPU;下一时间,需要测量B2的电压,这时只需要先断开S1,然后闭合S2,此时Vin=VB2。依次类推,CPU将12节电池循环切入MAX111,完成该箱电池单节电压的测量功能。

由于从MAX111读出的仅仅是未经处理的14位A/D转换值,并不能直接表示成电压,需要做一定的换算。针对该电池管理系统采用的测量模式,设计计算公式:

实际值1=AD值1×增益+零点实际值2=AD值2×增益+零点

假设实际应用中该混合动力汽车每个电池箱内一个电池模块为12节单体,自动校准时需要依次切换12路电压通道。根据校准公式,需要有高低两路电源电压输入V1、低端电源电V2。

压V2输入时,在每次切换后,由单片机发送串口指令,调用该节所测AD值并存储。高端类似。这样就有两组AD值(AD1和AD2),根据两个方程就可以计算出每一路电池电压的增益与零点。增益用两个字节的无符号数表示,零点有可能出现正负,用4字节补码表示。

技术创新

2硬件电路设计(Designofhardwarecircuit)

根据校准原理搭建硬件电路,如图2所示。

MCU采用Freescale公司的16位单片机MC9S12DT128,包含有一个16位的中央处理单元(HCS12CPU),128KB的FlashEEPROM,8KB的RAM,2KB的EEPROM,2个异步串行通讯接口(SCI),1个含8个输入捕捉通道或输出比较通道的增强型捕捉定时器,29个独立的数字I/O口等。其功能丰富、速度块、功耗

邮局订阅号：82-946360元/年-135-

图1电压检测结构

Fig.1Structureofvoltagemeasurement

朱峰:在读硕士

《PLC技术应用200例》

电源技术

低,能够满足自动校准板的设计要求。

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第1-1期

3软件设计(Designofsoftware)

利用异步串行通信协议和电池管理系统(BMS)及PC机进行通信。CPU的SCI是一种采用NRZ格式的异步串行通信接口,由发送器,接受器,波特率产生电路及其他辅助逻辑构成,可以选择8或9个数据位,发送和接收的奇偶校验位可以选择是否由硬件生成。RS232电平转换芯片可以实现TTL电平和RS232电平之间的转换,然后通过9芯串行口与BMS及PC机通信。通信过程中双方都要遵守一个事先已制定好的协议。

采用MC9S12DT128单片机,编写C语言程序。CPU采用24MHz的外部有源晶振,采用5V供电。高低两端电压值通过键盘敲入,并且键盘控制各个步骤的执行。通信速率设为19200bit/s,制定读电压和校准命令。图4给出了校准过程的程序框图。

图2硬件电路示意图

Fig.2Diagramofhardwarecircuit

逻辑控制电路由74HC595移位寄存器和MC1413驱动芯片组成,74HC595具有8位串入、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。移位寄存器有一个低电平复位/MR,一个串行输入DS,和一个可以级串联的串行输出管脚Q7′。移位寄存器和输出锁存器均使用正边沿触发时钟。存储寄存器有一个并行8位的,具备三态的总线输出,当使能/OE为低电平时,存储寄存器

最多只需要5根控制线,最少只需要3根控的数据输出到总线。

制线与单片机I/O口相连,通过SI管脚与Q7′管脚即可实现多个芯片的级联,非常方便。本文所设计电路需校准12路电池电压,故使用2片74HC595芯片。

当SHCP从低到高电平跳变时,数据从DS管脚移入寄存器,在SHCP的第9个上升沿,数据开始从Q7′移出。在数据全部送完后,当STCP从低到高电平跳变时,寄存器的数据移入锁存器。此时如果/OE为低电平,数据即从并行口Q0~Q7输出。/MR只对寄存器复位,而对锁存器无影响。当输出使能端/OE为高电平时,并行输出Q0~Q7为高阻态,而串行输出不受影响。

通信部分采用串口通信,电平转换芯片采用Maxim公司的MAX202。MAX202是一种双路RS-232线驱动器/接收器,满足TIA/EIA-232-F要求,提供一个异步通信控制器和串行接口连接器之间的电气接口,电荷泵和四个小的外部电容使得它能在一个单端5V电源下正常工作。该设备运行数据信号速率高达120kbit/s,最高30V/μs驱动器输出转换率。为达到较好抗干扰性能,校准系统的电源与该收发器的电源通过DC/DC隔离,同时串行接口的输入和输出信号均用高速光耦6N137隔离。设计RS232通讯接口电路如图3所示。

技术创新

图4校准过程程序框图Fig.4Flowchartofcalibration

4实验结果分析(Analysisofexperi-mentresults)

设高低两路输入电压分别为9.96V,16.56V,经过该系统校准后的电池管理系统所测得的12路电池电压以及误差如表1所示。

表1校准后测量值及误差

Tab.1Measurementsanderror

图3隔离RS232通讯接口电路

Fig.3CommunicationinterfacecircuitofisolationRS232

输入部分采用4*4矩阵键盘,只需要8个I/O口,用来键入电压值及实现控制功能。

显示部分采用OCM12864液晶。OCM12864液晶显示模块是128×64点阵型液晶显示模块,可显示各种字符及图形,可与CPU直接接口,具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。采用KS0108控制IC。

-136-360元/年邮局订阅号：82-946可以看出,经过该系统校准后,测量误差最大为±10mv,可以满足电动汽车单体电池测量精度要求。同时整个校准过程耗时

(下转第148页)《现场总线技术应用200例》

仿真技术

参数如表1所示。

各SOM的部分公布/订购关系如表2所示,通过调用publishObjectClass()服务来公布指定对象类的指定属性集,publishInteractionClass()公布指定的交互类;调用subscribeObjectClassAttributes()服务来订购对象类的指定属性集,subscribeInteractionClass()订购指定的交互类。

表2对象类的公布/订购关系

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第1-1期

作者简介:曹永辉,男(1982-),河北保定人,现就读于空军雷达学

院研究生管理大队,主要研究方向:雷达作战效能评估;李侠,男(1956-),空军雷达学院教授,主要研究方向:雷达作战效能评估;蔡万勇,男,空军雷达学院博士研究生,主要研究方向:雷达作战效能评估;陈华伟,男,空军雷达学院硕士研究生,主要研究方向:雷达作战效能评估。

Biography:CAOYong-hui(1982-),male,HEBei,Airforceradaracademy,master,researcharea:effectivenessevaluationonradar.(430019武汉空军雷达学院)曹永辉李侠蔡万勇陈华伟(AirForceRadarAcademy,WUHan,430019,China)

CAOYong-huiLIXiaCAIWan-yongCHENHua-wei通讯地址:(430019武汉空军雷达学院24队)曹永辉

(收稿日期:2009.01.06)(修稿日期:2009.04.06)

技术创新

4结束语

对空情报雷达探测能力仿真系统,旨在应用复杂武器系统效能评估理论,建立对空情报雷达探测能力仿真模型,真实反映现实世界的作战过程,研发一种基于实际环境,真实可信的效能评估仿真系统。基于HLA的对空情报雷达探测能力仿真系统可以很好的解决系统实体众多、实体间接口关系复杂带来的困难,有利于系统的可重用性、可互联性以及可扩展性。本文给出了基于HLA的对空情报雷达探测能力仿真系统设计的一般过程,但在实际开发中还存在许多细节问题,如各个成员的同步、交互数据的正确收发等,需要在以后的研究中加以解决。

本文作者的创新点:根据对空情报雷达探测系统实际作战需求,确定了联邦组成,进行了邦元设计;对FOM/SOM中的对象类和交互类进行了开发,完成了对空情报雷达探测能力仿真系统的设计。参考文献

[1]付正军.计算机仿真中的HLA技术[M].北京:国防工业出版社,2003.

[2]王学慧,乔海泉.武器系统综合仿真环境的HLA功能研发[J].系统仿真学报.2005(11):2660-2663.

[3]李向阳.基于HLA的地地导弹操作训练仿真系统设计[J].系统仿真学报.2008(21):5821-5824.

[4]陈留涛.基于HLA的兵器靶场协同仿真框架设计[J].系统仿真学报.2008(11):2909-2913.

[5]幕晓冬,尹宗涧,史德琴,等.基于HLA和VR的导弹系统仿真平台设计[J].微计算机信息.2007(23):200-201.

-148-360元/年邮局订阅号：82-946(上接第136页)仅20s,较为快速便捷。在正常工作情况下,如果校准中主机返回AD转换值大于65000或者小于1024,很大可能由于测量线路悬空或芯片工作异常,即没有测量到实际电压值。在整个校准过程中,校准板与电池管理系统的通信是至关重要的,因此应该有足够的延时,保证发送及接收数据的完整及稳定。另外,为了保证其精度,输入电压源应该具备很好的稳定性,否则会有比较大的误差,这在校准前应该注意。

5结束语(Conclusion)

本文介绍的单体电压全自动校准方案是为了适应电动汽车产业化的要求设计的,所以在追求高精度的同时还要兼顾方便快捷的要求,本系统可以实现一键校准,在需要校准大量电池管理系统时更会体现出其优势。目前该系统已应用于蓄电池管理系统校准实践中,大量的实践表明,该系统达到了设计初的要求,适应了产业化的需要。

本文作者创新点:采用校准板和BMS串口通信方式,通过键盘实现一键校准,在批量校准时更加体现出方便快捷的特点,同时精度也可以得到保证。参考文献

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[2]李秉宇,姜久春,李景新.混合动力汽车蓄电池标定系统的研究[J].微计算机信息,2008,11-2:249-250。

应用与开发技[3]杨国田.摩托罗拉68HC12系列微控制器原理、

术[M].中国电力出版社,2003。

作者简介:朱峰(1983-),男,硕士,在读。研究领域为电力电子与电力传动;姜久春(1973-),男,教授,博士生导师。研究领域为电力电子技术、微机测控技术;王占国(1972-),男,工程师。研究领域为计算机测控技术。

Biography:ZHUFeng(1983-),male,Hannationality,ShandongProvince,amasterinBeijingJiaotongUniversity,majorinPow-erElectronicsandPowerDrives.(100044北京北京交通大学电气工程学院)朱峰姜久春

王占国

(CollegeofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China)ZHUFengJIANGJiu-chunWANGZhan-guo

通讯地址:(100044北京北京交通大学电气工程学院)朱峰

(收稿日期:2009.02.04)(修稿日期:2009.05.04)

《现场总线技术应用200例》