中心议题：

• 探究动力电池组测试平台设计
• 理解数据采集系统硬件结构

解决方案：

• 实现电池容量和能量的高效利用提供数据支持

 1 前言

作为电动汽车的能量存储部件， 电池的功率密度、储电能力、安全性等不仅决定着电动车的行驶里程和行驶速度，更关系到电动车的使用寿命及市场前景。目前， 电池在实际使用中普遍存在的问题是电荷量不足， 一次充电行驶里程难以满足实用要求。

另外， 用可测得的电池参数对电池荷电状态（ SOC,S tate- O f- Charge）作出准确、可靠的估计，也一直是电动汽车和电池研究人员关注并投入大量精力的研究课题。因此有必要建立动力电池测试平台，利用该平台对电池相关参数进行全面、精确的测量， 实现电池性能试验， 工况模拟和算法研究， 确定最合理的充放电方式及更为精确的SOC 估算方法， 从而合理的分配和使用电池有限的能量， 尽可能延长电池的使用寿命， 进一步降低电动汽车的整车成本。与以往的电池测试系统相比，该测试平台可全面监测电池相关参数， 并加入充放电能量的计量， 可从能量的角度对电池的性能进行描述， 从能量状态（ SOE,Sta te- O f- Energy）的角度对电池的使用效率进行分析。系统硬件电路具有电池过电压、欠电压保护及均衡功能，可对单体电池进行监视和保护， 减小电池间的不一致性。在充放电设备与上位机之间建立通信， 控制充电机按照编程指令改变控制策略和输出电流，检验充放电电流大小、方式和环境条件对电池的电荷量及使用寿命的影响。

2 测试平台结构

测试平台的结构如图1所示，以单片机为核心的电池数据采集系统直接对电池组的单体电压、总电压、温度、电流、充放电容量、充放电能量等信息进行精确测量，并通过RS232总线将数据发送到上位机。由微型计算机构成的上位机监控系统， 实时显示并记录接收到的测试数据， 对数据进行分析，监控测试系统工作状态。另外可根据具体的实验要求，控制充放电设备按照编程指令输出电流，模拟电池在某些特定条件下的使用情况。充放电设备实现电池组的充放电， 完成电池和电网之间能量的双向流动， 与监控PC 机通过CAN 通信， 可接收监控PC机的编程控制指令。文中主要完成数据采集系统、上位机监控系统的设计并实现各部分之间的实时通讯。
3 系统硬件设计

数据采集系统硬件结构如图2所示， 主要包括以下几个模块：微控制器、电源模块、电流及安时检测模块、瓦时检测模块、电压检测模块以及通信接口电路。 [page]
微控制器采用的是MC9S12DT128B 芯片， 该芯片具有串行接口、CAN 控制器等丰富的外围资源，只需加入电平转换电路即可实现与上位机之间的232通信。本设计使用数字温度传感器DS18B20来实现温度检测，它支持1- w ire总线协议， 可利用单片机的一个端口来读取多个检测点的数字化温度信息， 扩展方便。

电压检测采用bq76PL536 芯片， 它同时检测3到6节电池， 测量的单只电池的电压范围为1~ 5V。
该芯片由所测电池直接供电， 供电电压范围为5. 5~ 30V。为了保证芯片在所测电池少于3 节时仍能正常工作， 电路中外接9V 的直流电源。在电池总电压小于9V 时， 采用外部供电。该芯片具有电池过电压， 欠电压保护功能，电压阈值及检测延迟时间这些保护参数可通过程序写入。当某节电池的实际情况超过设定的安全阈值范围时， 芯片中电池故障寄存器相应字节置位，从而通知充电机动作， 防止电池过充或过放。在芯片外围， 有MOS管与电阻构成的均衡电路，芯片的CBx管脚可以控制MOS管的导通与关断， 如图3所示。通过软件设置， 当程序判断出某节电池需要均衡时， 该电池对应的CBx 管脚被置位， 这时与CBx 相连接的MOS管导通， 均衡电路启动。 CS5460A 芯片能够精确检测和计算有功电能、瞬时功率、IRM S和VRM S, 本系统用两片CS5460 分别检测电流、安时和瓦时。其中一片CS5460 采用分压电阻检测电压， 分流器检测电流，通过软件设置，它在每秒钟内对电压、电流信号采样4000次， 并计算出瞬时功率。通过4000次功率的累计，芯片可自行计算出这一秒钟内的能量值， 即？？ 瓦时。另外一片CS5460将通过电压测量通道测量恒压源信号，电流测量通道测量分流器信号， 这样测得的数值为电流与时间的积分，即电池电量的计量单位？？ 安时 , 可用于SOC 的计算。

4 系统软件设计

数据采集系统软件分为主程序、电流检测及安时检测、瓦时检测、电压检测、温度检测以及RS232程序。系统上电后，主程序开始运行。首先进行系统初始化， 之后进入主循环， 然后循环调用其他子程序模块， 完成各个参数的采集、通讯等功能。

上位机监控软件在VC + + 6. 0 编程环境下完成， 整个应用程序采用模块化和结构化模式： 各个程序模块分别设计，然后用最小的接口组合起来， 控制明确地从一个程序模块转移到下一个模块。该监控系统包括：

数据显示： 实时显示电池数据采集系统所检测到的电池总电压、单体电压、电流、充放电总容量、充放电总能量、温度等信息，将接收到的数据按时间先后顺序存储到access形式的数据库中。读取已存储的access库， 以列表的形式在界面上显示数据。

参数设置及校准： 在数据采集系统上电后， 通过RS232接口和PC 之间的通讯， 根据事先设定的通信协议， 对电池的信息进行修改，或对芯片进行软件校准等。
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数据处理： 分析收到的电压、温度数据， 计算出最高、最低电压/温度， 及其位置信息， 并实时显示。
另外数据采集系统已实现电池容量变化的实时计算， 但实际应用场合， 通过电流积分来进行SOC 估算存在累计误差，所以需要定期修正。在上位机程序中， 有预留的模块添加用于SOC 修正的代码。在进行SOC 估算的实验时，可根据实时收到的电池相关参数， 结合程序事先设置好的修正方法， 实现SOC在线估算。

充放电设备控制： 在上位机程序中有预留的模块用于添加充放电设备的控制程序，使电池的电压、温度、充放电容量、充放电能量等相关参数都能参与电池的充放电控制和管理。在电池充放电过程中，上位机分析收到的电池状态和信息，同时判断电池组中所有电池是否发生过充电、过放电或过温， 由于充放电设备与上位机之间存在CAN 通信，会及时按照上位机的程序指令动作。这种控制模式可以方便的用于电池组充放电策略的研究，上位机按照预先设定好的控制策略计算出充放电设备的电压、电流控制值，并发送给充放电设备使其动作。同时这种控制模式也可以模拟电动汽车的实际运行情况， 提高了充放电设备的智能化水平，简化了充电工作人员设置充电参数等繁琐的工作， 使得充电机具有了更好的适应性， 充电机只需要得到上位机提供的指令就能实现安全充电。

5 系统测试

为了测试该系统， 使用3. 7V /80Ah的锰酸锂电池做恒流恒压充电试验。在上位机程序中设置如下参数： 恒流阶段充电电流80A, 充电截止电压4. 2V,恒压阶段截止电流0. 1A, 得到的充电曲线如图4所示。 从图中可以看到， 在恒流充电时， 电流值保持恒定， 电压稳步上升， 达到截止电压后， 电池开始恒压充电， 电压值基本稳定，电流值逐渐下降至截止电流， 达到了控制目的。在整个测试过程中， 充电机能够及时准确的按照上位机的编程指令动作， 系统工作稳定，实时性好， 采样精度高， 其中电压测量相对误差最大值为0. 5%, 电流测量平均误差为0. 41%,温度测量误差为0. 5%, 安时、瓦时计量误差均在0. 5% 以内， 符合设计要求。

6 结论

该测试平台能够准确反应电池状态的变化， 为最大限度的发挥电池性能， 提高电池使用效率， 实现电池容量和能量的高效利用提供数据支持，达到了设计要求。上位机监控程序模块化， 结构化的优点，保证了系统良好的功能扩展性，为动力电池的性能测试、算法验证、充电方法研究提供了可靠的平台，为电动汽车的推广使用奠定了基础。