锂电池SOC估计试验台硬件方案.docx

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锂电池SOC估计试验台硬件方案

锂离子动力电池SOC估计试验台硬件方案

设计目标

设计本实验台的的目标是实现实时的动力电池剩余电量状态预测，预测的依据动力电池的工作电压、工作电流及工作温度，通过微处理器对其进行分析处理，从而得到对应的状态值。

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图1硬件系统框图

为达到准确估计锂电池SOC功能的需要，拟将系统做以下设计，将整体分为以下三个模块：

数据采集模块、数据中央处理模块以及数据传输模块，系统设计的硬件框图如图1所示。

下面分别从锂离子动力电池组、数据采集模块、数据中央处理模块以及数据传输模块来详细阐述设计方案。

1．锂离子动力电池组

由于本项目研究方向是电动汽车的锂离子动力电池组的SOC估计，所以我们在锂电池组的选择上应尽量符合电动车对动力电池的要求，比如很大的容量、合适的电压等，但又由于本实验台的设计目的是在实验室内有效地实践锂电池SOC估计方法，不必追求实际工况下的电池要求，所以在锂电池组的选择上我们按以下范围内选定。

电池容量：

10~40Ah

电池电压：

12~48V

本设计拟选用国内有实力的动力锂电池组厂家的产品，例如中信国安盟、河南环宇、山木电池、赛恩斯能、山东润峰、浙江兴海、合肥国轩、特茂荣等公司，其动力锂电池产品已经比较成熟，广泛应用于国内的电动汽车领域。

产品举例：

图1.112V30AH锂离子动力电池组北京中新联科技股份有限公司

图1.224V30AH锂电池盒合肥国轩高科动力能源有限公司

另外，为了满足实验中对于动力锂电池组的充电放电要求，在厂商所提供的锂电池组充电器之外，我们可以根据情况，选择锂电池充放电电源或者放电电阻。

例如，可选用μC-KGCFS型傻瓜型电池化成充放电电源。

最大充放电电流400A，最大充放电电压可以达到300V，可以提供电池组横流充放电、恒压充电及静置等多种实验方式，通过设置可以设计充放电流程。

图1.3μC-KGCFS型傻瓜型电池化成充放电电源

再例，可选用SZDC24-100蓄电池放电负载箱。

直流便携式自动负载箱是对蓄电池组深度放电维护和容量检测的仪器。

可广泛应用于需要对蓄电池组或电源进行恒流负载测试的场合。

直流便携式自动负载箱规格：

电流：

10A-400A可选；电压DC12V-600V可选。

主要功能

1）用户可根据电池容量或检测要求设定放电电流。

2）通过电流调节旋钮可以使放电电流在所需范围内精确无级连续调整和设定。

3）放电参数设定后可自动恒流完成放电过程。

4）电池组保护电压值设定功能。

（可选）

5）自动保护功能本机设有欠压、48V断电自动保护功能，在电源掉电或因电池组电压过低（低于43V）时自动关断负载，保护电池组，避免过度放电。

6）自动报警功能当出现定时放电到时、电池组电压过低或机箱温度过高时自动发出报警声响。

7）体积小设计并采用最新优质元器件，使得本机大大小于以往机型，是老机型的换代产品。

8）本机具有定时功能（1分钟-9小时59分钟）。

图1.4SZDC24-100蓄电池放电负载箱

2.数据采集模块

数据采集模块这部分的作用主要是完成模拟量向数字量的装换，并将装换得到的数据传给数据中央处理模块。

本系统需要拟采集三种模拟型号，电压、电流以及温度。

电压和电流的采集传感器选用霍尔传感器。

温度信号的采集采用DS18B20芯片，利用DSP的串行接口将温度依次采进。

（1）电压、电流传感器

选用霍尔传感器，在采集信号的同时实现了电池高电压与管理系统的隔离，保证系统安全有效。

由于我们选用的锂电池电压低于50V，所以在做锂电池SOC估计的过程中电池的电压低于50V，所以我们选择VSM050D型霍尔电压传感器。

VSM050D型电压传感器是应用霍尔效应和磁平衡原理研制成的新一代电压传感器，能在电隔离条件下测量交流、脉冲以及各种不规则波形的电压。

图2.1VSM050D型电压传感器

又因为在做锂电池SOC估计的过程中电池放电电流范围较大，且在100A以内，所以我们选择CHB100型霍尔电流传感器，其隔离原理是原边被测电流与副边输出电流电气隔离。

图2.2CHB100型电流传感器

（2）温度传感器

温度信号的采集采用数字温度传感器DS18B20作为温度传感器。

DS18B20是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器芯片，具有结构简单、体积小、功耗小、抗干扰能力强、使用简单等优点。

图2.3CHB100型温度传感器

其测量范围是-55℃—125℃，精度为±0.5℃。

它的ROM中其芯片的唯一标识码，即任意两个DS18B20的标识码是不同的，特别适合与微处理芯片构成多点温度测控系统。

独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（3）由于本设计下文选用的数据中央处理模块为DSP芯片LF2407本身具有ADC模块，所以不需要外接模数转换模块，这样大大的节省了实验台的空间。

该模块有以下特点：

·带内置采样保持器的10位模数转换模块。

·多达16个模拟输入通道。

·自动排序能力。

一次执行最多16个通道的“自动转换”，而每次要转换的通道都可以通过编程来选择。

·两个独立的最多可选择8个模拟转换通道的排序器可以独立工作在双排序模式，或级联之后工作在一个最多可选择16个模拟转换通道的排序器模式。

·以选择模拟通道转换的次序。

·以单独访问16个结果寄存器用来储存转换结果。

·两个触发源可触发A/D转换

为了保证采样数据的精度，A/D模块的电源应与数字电源之间作一定的隔离或滤波，并要保证基准的稳定性，考虑到系统从成本，系统中采取对数字电源方式给A/D模块供电，采用单独的基准源给A/D模块的电压参考值。

电压基准源影响着A/D采样的精度。

3.数据中央处理模块

本系统是一个庞大的数据处理系统，最大的特点就是进行数据分析，不仅仅是实时数据分析，而且还包括后期的数据处理以及历史数据比较调用，并将数据传输给上位机，所以需要有较强的信号处理功能。

中央处理模块是整个系统的核心部分，为了达到这些要求，我们没有选择传统单片机，二十将数据中央处理模块选为DSP控制器。

与单片机相比,DSP的I/O口数目多，具有更大的存储空间，拥有更多的信息处理位数，信号采集电路相对比较简单，处理速度也比较快，因此可以比单片机更有效的保证对电动汽车动力电池SOC的实时控制。

由此，用DSP来实现对锂离子动力电池组SOC的控制，使系统及时的对动力电池荷电状态进行判断是更为合理有效的。

本设计选用的是TI公司的TMS320LF2407DSP。

此芯片采用高性能静态CMOS技术，使得供电电压降为3.3V，减小了控制器的功耗；30MIPS的执行速度使得指令周期缩短到33ns（30MHz）,从而提高了控制器的实时控制能力。

片内有高达32K字的FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM，544字双口RAM（DARAM）和2K字的单口RAM（SARAM）。

可扩展的外部存储器（LF2407）总共192K字：

128K字程序存储器；64K字I/0寻址空间。

10位A/D转换器最小转换时间为500ns。

可以由两个事件管理器来触发最多16通道输入的A/D转换器。

控制居于网络（CAN）2.0B模块。

串行通信接口（SCI）。

16位串行外设接口模块（SPI）。

高达40个可单独编程或复用的输入输出引脚（GPIO）。

图3.1TMS320LF2407的引脚图

基于TMS320LF2407DSP的CPU适用于电池管理系统主要在以下几个方面：

1）节能。

当设备由二次电源作为电源的时候，节能问题则变得更加突出和重要。

本设计使用的DSP由3.3V电源供电，减小了控制器的消耗。

2）40个可单独编程或复用的输入输出引脚。

可用于外部系统控制及其他外设电路的控制。

3）带有丰富的通信接口，可以与外设进行通信。

包括SPI、SCI、CAN等等。

4）较高的性价比优势，是选择2407的另一个重要原因。

4.数据传输模块

DSP在处理完由从电池组采集来的电压、电流、温度信号后，将计算后得到的SOC值传送给上位机，上位机在接手到传送来的信号之后，对此信号作出一定的处理，由此来给蓄电池充电器的充放电逻辑电平值。

由于CAN总线的抗干扰能力强，传输的距离远，速度快，因此在汽车的能量管理系统中，常用它来进行通信。

这部分属于现场总线的一个最小系统节电，系统设计应在保证系统可靠工作和满足系统功能的条件下，具有通用性、实用性和可扩充性等特点。

CAN总线的优点：

1）具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点；

2）采用双线串行通信方式，检错能力强，可在高噪声干扰环境中工作；

3）具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上，形成多主机局部网络；

4）可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；

5）可靠的错误处理和检错机制；

6）发送的信息遭到破坏后，可自动重发；

7）节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；

8）报文不包含源地址或目标地址，仅用标志符来指示功能信息、优先级信息。

TMS320LF2407本身集成了CAN总线模块，其实一个16位外设的完整CAN控制器，并且完全支持CAN2.0协议，所以不需要专门的CAN控制器，DSP本身不具有CAN收发器，需要外接CAN收发器SN65HEVD230完成CAN通信系统的配置。

SN65HVD230可用于较高干扰环境下。

该器件在不同的速率下均有良好的收发能力，其主要特点如下：

·完全兼容ISO11898标准；

·高输入阻抗，允许120个节点；

·低电流等待模式，典型电流为370μA；

·信号传输速率最高可达1Mb/s；

·具有热保护，开路失效保护功能；

·具有抗瞬间干扰，保护总线的功能；

·斜率控制，降低射频干扰（RFI）；

·差分接收器，具有抗宽范围的共模干扰、电磁干扰（EMI）能力。

5.实验台硬件结构图