中心議題：

• 探究動力電池組測試平台設計
• 理解數據采集係統硬件結構

解決方案：

• 實現電池容量和能量的高效利用提供數據支持

 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裏程和行駛速度，更關係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， 一次充電行駛裏程難以滿足實用要求。

另外， 用可測得的電池參數對電池荷電狀態（ SOC,S tate- O f- Charge）作出準確、可(ke)靠(kao)的(de)估(gu)計(ji)，也(ye)一(yi)直(zhi)是(shi)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)和(he)電(dian)池(chi)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)關(guan)注(zhu)並(bing)投(tou)入(ru)大(da)量(liang)精(jing)力(li)的(de)研(yan)究(jiu)課(ke)題(ti)。因(yin)此(ci)有(you)必(bi)要(yao)建(jian)立(li)動(dong)力(li)電(dian)池(chi)測(ce)試(shi)平(ping)台(tai)，利(li)用(yong)該(gai)平(ping)台(tai)對(dui)電(dian)池(chi)相(xiang)關(guan)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)全(quan)麵(mian)
、精確的測量， 實現電池性能試驗， 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。與以往的電池測試係統相比，該測試平台可全麵監測電池相關參數， 並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（ SOE,Sta te- O f- Energy）的角度對電池的使用效率進行分析。係統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， 控製充電機按照編程指令改變控製策略和輸出電流，檢驗充放電電流大小、方式和環境條件對電池的電荷量及使用壽命的影響。

2 測試平台結構

測試平台的結構如圖1所示，以單片機為核心的電池數據采集係統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，並通過RS232總線將數據發送到上位機。由微型計算機構成的上位機監控係統， 實時顯示並記錄接收到的測試數據
， 對dui數shu據ju進jin行xing分fen析xi

，監jian控kong測ce試shi係xi統tong工gong作zuo狀zhuang態tai。另ling外wai可ke根gen據ju具ju體ti的de實shi驗yan要yao求qiu，控kong製zhi充chong放fang電dian設she備bei按an照zhao編bian程cheng指zhi令ling輸shu出chu電dian流liu
，模mo擬ni電dian池chi在zai某mou些xie特te定ding條tiao件jian下xia的de使shi用yong情qing況kuang。充chong放fang電dian設she備bei實shi現xian電dian池chi組zu的de充chong放fang電dian， 完成電池和電網之間能量的雙向流動， 與監控PC 機通過CAN 通信， 可接收監控PC機的編程控製指令。文中主要完成數據采集係統
、上位機監控係統的設計並實現各部分之間的實時通訊。
3 係統硬件設計

數據采集係統硬件結構如圖2所示
， 主要包括以下幾個模塊：微控製器
、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。 [page]
微控製器采用的是MC9S12DT128B 芯片， 該芯片具有串行接口、CAN 控製器等豐富的外圍資源，隻需加入電平轉換電路即可實現與上位機之間的232通信。本設計使用數字溫度傳感器DS18B20來實現溫度檢測

，它支持1- w ire總線協議， 可利用單片機的一個端口來讀取多個檢測點的數字化溫度信息， 擴展方便。

電壓檢測采用bq76PL536 芯片
， 它同時檢測3到6節電池， 測量的單隻電池的電壓範圍為1~ 5V。
該芯片由所測電池直接供電， 供電電壓範圍為5. 5~ 30V。為了保證芯片在所測電池少於3 節時仍能正常工作

， 電路中外接9V 的直流電源。在電池總電壓小於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可通過程序寫入。當某節電池的實際情況超過設定的安全閾值範圍時
， 芯片中電池故障寄存器相應字節置位，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管腳可以控製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。 CS5460A 芯片能夠精確檢測和計算有功電能
、瞬時功率、IRM S和VRM S, 本係統用兩片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
，它在每秒鍾內對電壓、電流信號采樣4000次， 並計算出瞬時功率。通過4000次功率的累計
，芯片可自行計算出這一秒鍾內的能量值
， 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， 這樣測得的數值為電流與時間的積分，即電池電量的計量單位？？ 安時 , 可用於SOC 的計算。

4 係統軟件設計

數據采集係統軟件分為主程序、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。係統上電後，主程序開始運行。首先進行係統初始化

， 之後進入主循環， 然後循環調用其他子程序模塊
， 完成各個參數的采集

、通訊等功能。

上位機監控軟件在VC + + 6. 0 編程環境下完成， 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，然後用最小的接口組合起來， 控製明確地從一個程序模塊轉移到下一個模塊。該監控係統包括：

數據顯示： 實時顯示電池數據采集係統所檢測到的電池總電壓、單體電壓

、電流
、充放電總容量
、充放電總能量、溫度等信息，將接收到的數據按時間先後順序存儲到access形式的數據庫中。讀取已存儲的access庫， 以列表的形式在界麵上顯示數據。

參數設置及校準： 在數據采集係統上電後， 通過RS232接口和PC 之間的通訊
， 根據事先設定的通信協議
， 對電池的信息進行修改
，或對芯片進行軟件校準等。
[page]
數據處理： 分析收到的電壓、溫度數據， 計算出最高
、最低電壓/溫度， 及其位置信息， 並實時顯示。
另外數據采集係統已實現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於SOC 修正的代碼。在進行SOC 估算的實驗時
，可根據實時收到的電池相關參數， 結合程序事先設置好的修正方法
， 實現SOC在線估算。

充放電設備控製： 在上位機程序中有預留的模塊用於添加充放電設備的控製程序，使電池的電壓、溫度、充放電容量、充chong放fang電dian能neng量liang等deng相xiang關guan參can數shu都dou能neng參can與yu電dian池chi的de充chong放fang電dian控kong製zhi和he管guan理li。在zai電dian池chi充chong放fang電dian過guo程cheng中zhong
，上shang位wei機ji分fen析xi收shou到dao的de電dian池chi狀zhuang態tai和he信xin息xi，同tong時shi判pan斷duan電dian池chi組zu中zhong所suo有you電dian池chi是shi否fou發fa生sheng過guo充chong電dian、過放電或過溫， 由於充放電設備與上位機之間存在CAN 通tong信xin，會hui及ji時shi按an照zhao上shang位wei機ji的de程cheng序xu指zhi令ling動dong作zuo。這zhe種zhong控kong製zhi模mo式shi可ke以yi方fang便bian的de用yong於yu電dian池chi組zu充chong放fang電dian策ce略lve的de研yan究jiu，上shang位wei機ji按an照zhao預yu先xian設she定ding好hao的de控kong製zhi策ce略lve計ji算suan出chu充chong放fang電dian設she備bei的de電dian壓ya、電流控製值
，並發送給充放電設備使其動作。同時這種控製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等繁瑣的工作， 使得充電機具有了更好的適應性， 充電機隻需要得到上位機提供的指令就能實現安全充電。

5 係統測試

為了測試該係統， 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： 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。 從圖中可以看到， 在恒流充電時， 電流值保持恒定， 電壓穩步上升， 達到截止電壓後， 電池開始恒壓充電， 電壓值基本穩定
，電流值逐漸下降至截止電流
， 達到了控製目的。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， 係統工作穩定，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
， 符合設計要求。

6 結論

該測試平台能夠準確反應電池狀態的變化， 為最大限度的發揮電池性能， 提高電池使用效率， 實現電池容量和能量的高效利用提供數據支持
，達到了設計要求。上位機監控程序模塊化

， 結構化的優點
，保證了係統良好的功能擴展性，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台
，為電動汽車的推廣使用奠定了基礎。