CC430F5137單片機(jī)的動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對目前動力電池管理系統(tǒng)功耗大、使用不靈活等缺陷，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)CC430F5137的動力電池管理系統(tǒng)。分析了動力電池管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，給出了硬件設(shè)計(jì)方法和軟件流程，并詳細(xì)分析了電壓／電流檢測模塊、剩余電量檢測模塊、溫度檢測模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用單片機(jī)CC430F15137設(shè)計(jì)動力電池管理系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：動力電池管理系統(tǒng)；CC430F5137；SoC；RF無線通信

引言
    隨著新能源汽車的不斷發(fā)展，大型工廠開始逐步使用動力電池驅(qū)動的運(yùn)輸車輛。電動汽車目前常用的電池有鉛酸電池、鋰電池、鎳氫電池等。電池是一個(gè)集成高能量的物體，它的使用以及安全管理就顯得尤為重要。目前的電動汽車中缺少能夠?qū)崟r(shí)、直觀、在線地反映蓄電池狀況的設(shè)備，由于對蓄電池保養(yǎng)不及時(shí)、保管不善、放電過度而造成的早期損壞，給企業(yè)帶來一定的損失。電池管理系統(tǒng)能解決這一問題，因此研究一套能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測蓄電池工作狀況的系統(tǒng)有著十分重要的價(jià)值和意義。
    參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)出的蓄電池管理系統(tǒng)缺少數(shù)據(jù)的傳輸功能，使得應(yīng)用有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)是以DSP為控制核心，其成本較高，而且系統(tǒng)運(yùn)行的功耗也較高，有較大的局限性。
    針對以上缺點(diǎn)，現(xiàn)采用基于單片機(jī)CC430F5137為控制核心的設(shè)計(jì)方案。CC430F5137內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器，可以實(shí)現(xiàn)100～200 m的無線傳輸功能，而且CCA30F5137具有MSP430系列單片機(jī)的低功耗特性。以上優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了目前電池管理系統(tǒng)的缺陷，達(dá)到了目前應(yīng)用的要求。

1 電池管理系統(tǒng)運(yùn)行原理
    本系統(tǒng)安裝在電動汽車中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視電池的狀況。當(dāng)電池汽車充電時(shí)，系統(tǒng)可以將充電數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸給充電中心，并自動進(jìn)行充放電管理。這樣充電中心就可以實(shí)時(shí)了解充電的狀態(tài)，而且充電中心不用將其他線路接入汽車內(nèi)，減少了搭建線路的麻煩，提高了工作效率；當(dāng)汽車在正常使用電池時(shí)，系統(tǒng)會實(shí)時(shí)監(jiān)測電池的用電情況，在剩余電量不足時(shí)及時(shí)通知駕駛?cè)藛T，并將警報(bào)通過無線模塊發(fā)送給充電中心，告知需要充電。

    電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)以CC430F5137為控制核心；蓄電池充放電控制電路主要是對蓄電池的充放電進(jìn)行管理，大功率蓄電池充放電電流較大，需要充放電控制電路對電池進(jìn)行保護(hù)充放電，以免損壞電池；蓄電池檢測電路主要是檢測電池的充放電電壓、充放電電流和電池溫度等；LCD顯示電路用于顯示電池電壓、溫度、電量等參數(shù)，以給使用人員提供一個(gè)參考；CC1101無線電模塊用于將采集的電池?cái)?shù)據(jù)通過無線電發(fā)送給充電中心，以便充電中心進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。

2 蓄電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    蓄電池管理系統(tǒng)包括電流檢測模塊、電壓檢測模塊、溫度檢測模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。
2．1 電流、電壓檢測模塊設(shè)計(jì)
    在本系統(tǒng)中，單片機(jī)需要對蓄電池組的整體電壓和單節(jié)電池電壓進(jìn)行檢測。目前有兩種檢測方法：一種是采用霍爾電壓傳感器來轉(zhuǎn)換被測電壓，再通過A／D轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行采樣；另一種是采用精密電阻構(gòu)建電阻分壓電路，再用A／D轉(zhuǎn)換元件進(jìn)行采樣。第二種方法對于電壓范圍較固定的條件下比較適合，如果有大電壓或者電壓范圍較大的情況下，采用第一種方法比較適合。本系統(tǒng)采用第一種檢測方法。
2．1．1 模擬采樣芯片的選擇
    本系統(tǒng)選用AD7656模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片來采集模擬信號。AD7656是利用創(chuàng)新的半導(dǎo)體制造工藝(iCMOS)制作的高集成度、6通道同時(shí)采樣的16位逐次逼近型的ADC。其吞吐率高達(dá)250 ksps，可以6通道同時(shí)采樣；支持并行、串行和菊花鏈的接口模式；可以與處理器的SPI、QSPI等高速串口實(shí)現(xiàn)無縫連接；寬帶寬輸入，輸入頻率為50 kHz時(shí)的信噪比(SNR)為86．5 dB；在供電電壓為5 V、采樣速率為250 ksps時(shí)，功耗為140mW。如圖2所示，AD7656有兩個(gè)電源輸入端，分別為模擬電壓輸入端AVCC和數(shù)字電壓輸入端DVCC。在AD7656同時(shí)轉(zhuǎn)換6通道數(shù)據(jù)時(shí)，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入電源，以便達(dá)到高精度的要求，所以AVCC的去耦就顯得十分重要。在本系統(tǒng)中的供電電源的輸出端加一磁珠，以便提供較好的電源。在電路的接地設(shè)計(jì)中，AD7656的DGND與AGND需要相互分開接地，以免相互影響。本系統(tǒng)中電源正電壓VDD為+12 V，邏輯電源VDRIVE、數(shù)字電源DVCC、模擬電源AVCC的供電電壓均為+5 V，電源負(fù)電壓VSS的供電電壓為-12 V。RANGE端口接地，即選擇輸入范圍±10 V；W／B接地表示16位并行輸出；AD7656的STBY接VDRIVE，選擇正常模式；SER／PAR端口接地，選擇并行接口；WR／REFEN／DIS接VDRIVE表示選擇內(nèi)部參考。

    CC430F5137與AD7656的硬件連接圖如圖2所示。CC430F5137的P0口的16個(gè)I／O端口作為并行數(shù)據(jù)口，與AD7656的并行數(shù)據(jù)口DB0～DB15相連；P1．0端口與AD7656的BUSY相連，用來檢測轉(zhuǎn)換是否結(jié)束；P1．1端口與CONVST A、CONVST B和CONVST C三個(gè)端口相連，作為AD7656的6路A／D同時(shí)采樣啟動控制口；P1．2端口與AD7656的讀信號／RD相連作為讀取數(shù)據(jù)控制口；P1．3端口與AD7656的／CS端相連作為片選控制口；P1．4端口與AD7656的RESET端相連作為AD7656的重啟控制端口。[!--empirenews.page--]
2．1．2 電流檢測模塊設(shè)計(jì)
    電流檢測模塊采用的是霍爾電流傳感器，其測量范圍是0～100 A，電流信號按1：1000的比例縮小后在精密采樣電阻上變成電壓信號。如圖3所示，將流經(jīng)待測電流的導(dǎo)線穿入傳感器缺口處，此時(shí)M端輸出的電流是與待測電流同比例縮小的信號。該電流信號流經(jīng)采樣電阻后，在電阻兩端形成一個(gè)電壓降，由于電阻的一端接地，所以電阻的另一端V。即轉(zhuǎn)化的電壓信號。電流傳感器輸出的電流范圍為0～100 mA，所以采樣電阻的大小決定輸出的電壓范圍，根據(jù)AD7656模擬轉(zhuǎn)換芯片對輸入電壓的要求以及電流傳感器的轉(zhuǎn)換比例，選擇采樣電阻R的阻值為100 Ω，得到輸出信號的電壓在0～10 V以內(nèi)，滿足A／D轉(zhuǎn)換芯片的輸入電壓要求。

2．1．3 電壓檢測模塊設(shè)計(jì)
    電壓檢測模塊采用的是霍爾電壓傳感器加A／D轉(zhuǎn)換器的測量方法。如圖4所示，電壓檢測模塊采用的霍爾電壓傳感器。其測量范圍為0～200 V，電壓傳感器的額定輸入電流為0～10 mA，所以在將電池的電壓接入霍爾電壓傳感器前，需要在電壓傳感器接入之前串入一個(gè)限流電阻R1，根據(jù)輸入電壓的范圍，R1的阻值選為20 kΩ，電阻的精度必須要求足夠高，因?yàn)殡娮鑂1的精度將直接影響輸入電壓的精度，進(jìn)而影響整個(gè)電壓測量的精度。如圖4所示，電壓傳感器的輸出端M輸出一個(gè)電流信號，其范圍為0～25 mA，但是A／D轉(zhuǎn)換器的輸入信號要求為一個(gè)電壓信號，所以需要將電壓傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，在電壓傳感器的輸出端M與地之間串聯(lián)一個(gè)電阻R2，這樣輸出端M輸出的電流作用在電阻R2得到電壓信號，依照A／D轉(zhuǎn)換器對輸入的電壓信號范圍要求，R2的阻值選為400Ω。

2．2 溫度檢測模塊設(shè)計(jì)
    電池在充放電過程中，內(nèi)部的部分能量會以熱能的形式進(jìn)行釋放，如果單個(gè)電池溫度過高，則會影響電池的壽命，甚至導(dǎo)致電池爆炸。電池在不同的溫度下會表現(xiàn)出不同的物理特性，測量出電池的溫度，并根據(jù)其內(nèi)部固有的性能指標(biāo)去使用和維護(hù)電池，這對于延長電池使用壽命以及讓電池達(dá)到最佳使用效果是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)?？紤]到設(shè)備低功耗要求和成本限制，在本系統(tǒng)中選擇了Maxim公司的DS18B20數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度測量。DS18B20是一款高速度、高精度的溫度傳感器，在安裝溫度傳感器時(shí)，需要將其盡可能地貼近蓄電池。DS18B20的電源供電電壓為3 V；測量范圍為-55～+125℃；測量精度為0．5℃。溫度采集電路圖如圖5所示，DS18B20的供電電壓為3 V，單片機(jī)CC430F51 37的P1．5口與DS18B20的DQ口相連，用來控制DS18B20。

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2．3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)傳輸模塊由CC430F5137單片機(jī)內(nèi)部集成的CC1101無線電模塊構(gòu)成。CC430F5137單片機(jī)是TI公司的MSP430F5xx系列的MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗，而且其采用電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，無需維修即可工作長達(dá)10年以上。微型封裝所包含的高級功能性還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動力，以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430F5137為16位超低功耗MCU，具有16 KB閃存、CC1101無線電和2 KB RAM，供電電壓范圍為1．8～3．6V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，LPM_3消耗電流為2．0μA。

    CCA30F5137單片機(jī)內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器。為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，無線電的RF頻率設(shè)為915 MHz，信道間隔為100 kHz，數(shù)據(jù)傳輸率為38．4 kbps，發(fā)送功率最大可以達(dá)到-109 dBm，傳輸距離可以達(dá)到200 m。距離較遠(yuǎn)的情況下可以外接大功率天線，增加傳輸距離，根據(jù)傳輸距離調(diào)節(jié)發(fā)射功率大小，使功耗盡量最低。CC430F5137的RF無線電硬件電路如圖6所示。CC430F5137的供電電壓為+3．3 V，外接頻率為26 MHz的石英晶振。其中RF_N和RF_P為RF無線電收發(fā)器的接收發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，用以增加傳輸距離。

3 動力電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    動力電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括SoC電量檢測子程序、電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序和電池充電時(shí)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)，下面就這各部分進(jìn)行詳細(xì)介紹。
3．1 SoC電量檢測子程序
    蓄電池管理系統(tǒng)中，常用的SoC計(jì)算方法有庫倫計(jì)算法、開路電壓法、阻抗測量法、綜合查表法等。出于系統(tǒng)低功耗特性以及成本考慮，本系統(tǒng)采用綜合查表法。電池的剩余容量SoC與電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)有著密切的聯(lián)系。通過電池固有的特性設(shè)置一個(gè)相關(guān)表，根據(jù)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)就可以算出得到電池的剩余電量值。剩余電量檢測程序流程如圖7所示。系統(tǒng)初始化完畢后開始檢測電池的電壓、電流、溫度參數(shù)，然后根據(jù)已經(jīng)列出的相關(guān)表計(jì)算出電池的剩余電量，將所算出的數(shù)據(jù)通過顯示屏進(jìn)行顯示。同時(shí)，將此數(shù)據(jù)通過無線模塊傳輸給充電中心，如果剩余電量不足，系統(tǒng)會觸發(fā)報(bào)警裝置，告知人員電量不足。

3．2 電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    在電池正常使用時(shí)，CC430F5137會實(shí)時(shí)檢測電池的各項(xiàng)參數(shù)，包括電壓、電流、溫度等。根據(jù)查表法就可以計(jì)算出電池的剩余電量，如果電量不足，系統(tǒng)會提示使用人員，告知電量不足，并通過CCA30F5137內(nèi)部集成的RF無線電模塊，將電量不足的信息發(fā)送給充電中心。如果電池的輸出電流較大，超過電池的固有指標(biāo)，系統(tǒng)也會發(fā)出警報(bào)，告知電池有特殊情況，并及時(shí)檢查更換電池。

    電池正常使用時(shí)系統(tǒng)程序流程如圖8所示。首先系統(tǒng)會檢測電池的相關(guān)參數(shù)，并計(jì)算電量，顯示電池的相關(guān)信息，如果有警報(bào)發(fā)生，系統(tǒng)會及時(shí)通知使用人員和充電中心。
3．3 電池充電時(shí)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    因?yàn)樵陔姵爻潆姷牟煌A段，電池輸入的電壓和電流需要不斷變化，所以在充電過程中系統(tǒng)會實(shí)時(shí)地檢測電池的輸入電壓、電流和溫度等參數(shù)，然后根據(jù)查表法計(jì)算出電池的電量，并將電量信息通過RF無線電發(fā)送給充電中心。這樣充電中心依照電池的實(shí)時(shí)參數(shù)不斷地控制充電電壓和充電電流，來更好地進(jìn)行充電。
    其系統(tǒng)程序流程如圖9所示。
    系統(tǒng)初始化后，會不斷檢測電池的相關(guān)參數(shù)，然后將電池的相關(guān)信息發(fā)送給充電中心，同時(shí)判斷是否已經(jīng)充滿，如果充滿電，則會通知人員電池已充滿。

結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)出了一種基于CC430F5137單片機(jī)的動力電池管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測電池的使用情況，將電池的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給用戶。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。