1前言

作為電動汽車的能量存儲部件，電池的功率密度、儲電能力、安全性等不僅決定著電動車的行駛里程和行駛速度，更關系到電動車的使用壽命及市場前景。目前，電池在實際使用中普遍存在的問題是電荷量不足，一次充電行駛里程難以滿足實用要求。

另外，用可測得的電池參數(shù)對電池荷電狀態(tài)（SOC,State-Of-Charge）作出準確、可靠的估計，也一直是電動汽車和電池研究人員關注并投入大量精力的研究課題。因此有必要建立動力電池測試平臺，利用該平臺對電池相關參數(shù)進行全面、精確的測量，實現(xiàn)電池性能試驗，工況模擬和算法研究，確定最合理的充放電方式及更為精確的SOC估算方法，從而合理的分配和使用電池有限的能量，盡可能延長電池的使用壽命，進一步降低電動汽車的整車成本。與以往的電池測試系統(tǒng)相比，該測試平臺可全面監(jiān)測電池相關參數(shù)，并加入充放電能量的計量，可從能量的角度對電池的性能進行描述，從能量狀態(tài)（SOE,State-Of-Energy）的角度對電池的使用效率進行分析。系統(tǒng)硬件電路具有電池過電壓、欠電壓保護及均衡功能，可對單體電池進行監(jiān)視和保護，減小電池間的不一致性。在充放電設備與上位機之間建立通信，控制充電機按照編程指令改變控制策略和輸出電流，檢驗充放電電流大小、方式和環(huán)境條件對電池的電荷量及使用壽命的影響。

2測試平臺結構

測試平臺的結構如圖1所示，以單片機為核心的電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)直接對電池組的單體電壓、總電壓、溫度、電流、充放電容量、充放電能量等信息進行精確測量，并通過RS232總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。由微型計算機構成的上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實時顯示并記錄接收到的測試數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，監(jiān)控測試系統(tǒng)工作狀態(tài)。另外可根據(jù)具體的實驗要求，控制充放電設備按照編程指令輸出電流，模擬電池在某些特定條件下的使用情況。充放電設備實現(xiàn)電池組的充放電，完成電池和電網(wǎng)之間能量的雙向流動，與監(jiān)控pC機通過CAN通信，可接收監(jiān)控pC機的編程控制指令。文中主要完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、上位機監(jiān)控系統(tǒng)的設計并實現(xiàn)各部分之間的實時通訊。

圖1平臺結構圖

3系統(tǒng)硬件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結構如圖2所示，主要包括以下幾個模塊：微控制器、電源模塊、電流及安時檢測模塊、瓦時檢測模塊、電壓檢測模塊以及通信接口電路。

圖2硬件結構圖

微控制器采用的是MC9S12DT128B芯片，該芯片具有串行接口、CAN控制器等豐富的外圍資源，只需加入電平轉(zhuǎn)換電路即可實現(xiàn)與上位機之間的232通信。本設計使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來實現(xiàn)溫度檢測，它支持1-wire總線協(xié)議，可利用單片機的一個端口來讀取多個檢測點的數(shù)字化溫度信息，擴展方便。

電壓檢測采用bq76pL536芯片，它同時檢測3到6節(jié)電池，測量的單只電池的電壓范圍為1~5V。

該芯片由所測電池直接供電，供電電壓范圍為5.5~30V。為了保證芯片在所測電池少于3節(jié)時仍能正常工作，電路中外接9V的直流電源。在電池總電壓小于9V時，采用外部供電。該芯片具有電池過電壓，欠電壓保護功能，電壓閾值及檢測延遲時間這些保護參數(shù)可通過程序?qū)懭搿．斈彻?jié)電池的實際情況超過設定的安全閾值范圍時，芯片中電池故障寄存器相應字節(jié)置位，從而通知充電機動作，防止電池過充或過放。在芯片外圍，有MOS管與電阻構成的均衡電路，芯片的CBx管腳可以控制MOS管的導通與關斷，如圖3所示。通過軟件設置，當程序判斷出某節(jié)電池需要均衡時，該電池對應的CBx管腳被置位，這時與CBx相連接的MOS管導通，均衡電路啟動。

圖3均衡電路

CS5460A芯片能夠精確檢測和計算有功電能、瞬時功率、IRMS和VRMS,本系統(tǒng)用兩片CS5460分別檢測電流、安時和瓦時。其中一片CS5460采用分壓電阻檢測電壓，分流器檢測電流，通過軟件設置，它在每秒鐘內(nèi)對電壓、電流信號采樣4000次，并計算出瞬時功率。通過4000次功率的累計，芯片可自行計算出這一秒鐘內(nèi)的能量值，即？？瓦時。另外一片CS5460將通過電壓測量通道測量恒壓源信號，電流測量通道測量分流器信號，這樣測得的數(shù)值為電流與時間的積分，即電池電量的計量單位？？安時,可用于SOC的計算。

4系統(tǒng)軟件設計

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件分為主程序、電流檢測及安時檢測、瓦時檢測、電壓檢測、溫度檢測以及RS232程序。系統(tǒng)上電后，主程序開始運行。首先進行系統(tǒng)初始化，之后進入主循環(huán)，然后循環(huán)調(diào)用其他子程序模塊，完成各個參數(shù)的采集、通訊等功能。

上位機監(jiān)控軟件在VC++6.0編程環(huán)境下完成，整個應用程序采用模塊化和結構化模式：各個程序模塊分別設計，然后用最小的接口組合起來，控制明確地從一個程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個模塊。該監(jiān)控系統(tǒng)包括：

數(shù)據(jù)顯示：實時顯示電池數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所檢測到的電池總電壓、單體電壓、電流、充放電總?cè)萘俊⒊浞烹娍偰芰俊囟鹊刃畔ⅲ瑢⒔邮盏降臄?shù)據(jù)按時間先后順序存儲到access形式的數(shù)據(jù)庫中。讀取已存儲的access庫，以列表的形式在界面上顯示數(shù)據(jù)。

參數(shù)設置及校準：在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上電后，通過RS232接口和pC之間的通訊，根據(jù)事先設定的通信協(xié)議，對電池的信息進行修改，或?qū)π酒M行軟件校準等。

數(shù)據(jù)處理：分析收到的電壓、溫度數(shù)據(jù)，計算出最高、最低電壓/溫度，及其位置信息，并實時顯示。

另外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已實現(xiàn)電池容量變化的實時計算，但實際應用場合，通過電流積分來進行SOC估算存在累計誤差，所以需要定期修正。在上位機程序中，有預留的模塊添加用于SOC修正的代碼。在進行SOC估算的實驗時，可根據(jù)實時收到的電池相關參數(shù)，結合程序事先設置好的修正方法，實現(xiàn)SOC在線估算。

充放電設備控制：在上位機程序中有預留的模塊用于添加充放電設備的控制程序，使電池的電壓、溫度、充放電容量、充放電能量等相關參數(shù)都能參與電池的充放電控制和管理。在電池充放電過程中，上位機分析收到的電池狀態(tài)和信息，同時判斷電池組中所有電池是否發(fā)生過充電、過放電或過溫，由于充放電設備與上位機之間存在CAN通信，會及時按照上位機的程序指令動作。這種控制模式可以方便的用于電池組充放電策略的研究，上位機按照預先設定好的控制策略計算出充放電設備的電壓、電流控制值，并發(fā)送給充放電設備使其動作。同時這種控制模式也可以模擬電動汽車的實際運行情況，提高了充放電設備的智能化水平，簡化了充電工作人員設置充電參數(shù)等繁瑣的工作，使得充電機具有了更好的適應性，充電機只需要得到上位機提供的指令就能實現(xiàn)安全充電。

5系統(tǒng)測試

為了測試該系統(tǒng)，使用3.7V/80Ah的錳酸鋰電池做恒流恒壓充電試驗。在上位機程序中設置如下參數(shù)：恒流階段充電電流80A,充電截止電壓4.2V,恒壓階段截止電流0.1A,得到的充電曲線如圖4所示。

圖4恒流恒壓充電曲線

從圖中可以看到，在恒流充電時，電流值保持恒定，電壓穩(wěn)步上升，達到截止電壓后，電池開始恒壓充電，電壓值基本穩(wěn)定，電流值逐漸下降至截止電流，達到了控制目的。在整個測試過程中，充電機能夠及時準確的按照上位機的編程指令動作，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，實時性好，采樣精度高，其中電壓測量相對誤差最大值為0.5%,電流測量平均誤差為0.41%,溫度測量誤差為0.5%,安時、瓦時計量誤差均在0.5%以內(nèi)，符合設計要求。

6結論

該測試平臺能夠準確反應電池狀態(tài)的變化，為最大限度的發(fā)揮電池性能，提高電池使用效率，實現(xiàn)電池容量和能量的高效利用提供數(shù)據(jù)支持，達到了設計要求。上位機監(jiān)控程序模塊化，結構化的優(yōu)點，保證了系統(tǒng)良好的功能擴展性，為動力電池的性能測試、算法驗證、充電方法研究提供了可靠的平臺，為電動汽車的推廣使用奠定了基礎。