基于DS2438的车载电池管理系统设计

郭克友，郭晓丽，王艺伟

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048)

基于DS2438的车载电池管理系统设计

郭克友，郭晓丽，王艺伟

(北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048)

针对电动汽车的自身特点，利用DALLAS公司生产的单总线器件DS2438，开发以Freescale公司的16位单片机MC9S12XS128为核心的电动车电池管理系统。实现对车辆行驶过程中动力铅酸蓄电池的电压、电流、温度等主要参数进行不间断采样。利用单总线进行数据信息的传递，主控制芯片制定最佳的电池充电方案，对电池进行能量补充和充分利用，为整车能源管理的研究奠定基础。单总线器件的好处是：一条通信线路上可挂载多个器件，可对一组电池的多节电池分别进行监测，同时降低了硬件的复杂程度，具有成本低、易安装维护等优点。该系统提高了电池组的可靠性，延长了蓄电池的使用寿命。

铅酸蓄电池；剩余电量；DS2438；单总线；MC9S12XS128

1996年，第1代现代电动汽车EV由美国通用汽车公司制造，它采用的是铅酸电池技术[1]。而今随着金融危机、国际油价的高位震荡和节能减排等产生巨大的外部压力，全球汽车产业正式进入能源转型时期。世界各国对发展电动汽车实现交通能源转型这样的技术路线达成了高度共识，电动汽车电池产业同样进入了加速发展的新阶段。铅酸电池作为电动汽车的能量来源是未来研究重点[2－3]。对12 V铅酸蓄电池的能量管理进行研究。针对汽车自身的特点，建立的电动汽车能量管理系统能够对铅酸蓄电池进行实时监控和高效利用，有益于今后对电动汽车能量进行深入研究。

1 总体方案设计

本文所设计的电池能量管理系统共分为三大模块：数据采集模块、数据处理模块和数据显示报警模块。其中数据采集模块是利用美国DALLAS公司生产的单总线器件DS2438，单总线(1-w ire)是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术。与目前多数标准串行数据通信方式如SPI/I2C/M ICROWIRE不同，它采用单根信号线，既传输时钟又传输数据，而且数据双向传输。它具有节省I/O口资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点[4]。数据采集模块是以MC9S12XS128为主控芯片，该芯片是Freescale公司的16位单片机，具有16位中央处理单元(CPU12X)、128KB程序Flash(P-lash)、8KBRAM、8KB数据Flash(D-lash)等丰富资源[5]。

车载铅酸蓄电池管理系统总体架构如图1所示。

2 硬件系统设计

2.1 数据采集模块

在数据采集模块中，本文选择美国DALLAS公司生产的信号采集芯片DS2438进行数据采集。DS2438可用于标识电池组的唯一序列号；DS2438内置数字化的温度传感器，用于测量电池组内温度信号的热敏电阻；可测量电池电压和电流的A/D转换器；集成电流累积器用于记录进入和流出电池的电流总量；一个经历时间纪录器；及40Byte的非易失E2PROM存储器，可用于存储重要的电池参数，例如电池容量、充电方式等[6]。其实物和管脚分配如图2所示。

图1 电动汽车车载铅酸蓄电池管理系统

图2 实物和管脚分配图

在硬件电路设计中，首先进行的是采集电路的设计，DS2438的检测电路如图3所示。

图3 DS2438的检测电路

其中DS2438第5管脚即单总线数据接口，在实际使用中，使用一个5Ω的上拉电阻与VCC对接后，再与MC9S12XS128的PORTA的PA7管脚进行数据对接。

2.2 数据处理模块

数据处理模块的主控芯片，从功能性、经济性及易用性等多方面进行考虑，选择了飞思卡尔公司生产的16位MC9S12-XS128单片机，它负责对DS2438芯片所采集到的信号进行处理并向各个功能模块发送控制信号。MC9S12XS128单片机最高总线频率可达40MHz，片内资源包括8 K RAM、8 K EEPROM和128 K Flash，拥有4路8位或2路16位脉宽调制模块(PWM)、2个8路10位A/D转换器和带有16位计数器的8通道定时器、UART、PIT、I2C、FTM等外部接口模块[5]，处理功能及片内资源符合本文的需求。

2.3 数据显示模块

数据显示模块设计过程中，考虑到驾驶员观察的方便性，本文选用TFT彩屏进行图形化显示，利用形象的比例特性，来提醒驾驶员电池组的剩余电量。

其中本文所用TFT彩屏的显示效果如图4所示。

图4 TFT彩屏的显示效果

3 系统软件设计

本文的软件设计主要分为三个部分：MC9S12XS128对DS2438芯片的控制指令模块、DS2438的采集信息回收计算模块及TFT彩屏的显示控制模块。电池的电压、电流及此时的电池的温度都是相关量，要同时不间断采集，才能更精确地计算出此时电池的剩余电量。在DS2438中ICA是一个按比例的8位易失二进制计数器，比例电阻RSENS(本文电池组用0.025Ω的检测电阻)累计了两端的电流[7]。如果状态/配置寄存器IAD位置高电平则ICA递增，反之递减。表1为ICA的内容。

剩余的电池容量RCA通过用式(1)计算得出：

软件主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

3.1 DS2438采集信息程序

信息采集模块的工作主要围绕DS2438展开。在单总线上所有的事务均以初始化序列开始。初始化时序由主机发送的一个复位脉冲及从机发送的应答脉冲两部分组成。应答脉冲通知主机DS2438在总线上并已做好准备。一旦主机监测到应答脉冲，则发送长度为8位的ROM命令控制从机做好准备工作。一个复位脉冲后面跟随一个应答脉冲表明DS2438已经准备好，可发送或接受ROM命令。总线主设备随后释放总线，进入接受模式(Rx)，在检测到I/O端口的上升沿并持续15～60m s之后，发送一个应答脉冲给主机，从而完成初始化时间槽工作。通过时间槽，可从DS2438读取或向DS2438写入数据[8－11]。读取电压、电流和温度的时序指令较为相似，本文以读取电压参数为例进行描述，其程序流程如图6所示。

图6 读取电压参数程序流程图

对单总线进行写和读时间槽的时序不同。其中写时间槽的方式有两种，即写0时间槽和写1时间槽。若为主设备产生一个写1时间槽，则数据线必须被拉成低电平，然后释放数据总线，在写时间槽开始15m s内，允许数据总线拉成高电平。而在读时间槽时主设备I/O端口必须保持在非低电平状态，在初始化读时间槽后15m s之内读取它的状态值。在读时间槽的末端，I/O端口通过上拉电阻自动置为高电平。所有的写时间槽操作必须持续至少60m s，在写时间槽的过程中，必须使单总线具有至少1m s的复位时间。在实验测量中可以检测到处于通讯状态的DS2438上单总线DQ引脚的波形图，如图7所示为检测铅酸蓄电池端电压为8 V时的波形图。

图7 DS2438单总线通讯状态波形图

3.2 数据显示控制程序

TFT液晶显示屏为每个像素都设有一个半导体开关，每个像素都可通过点脉冲直接控制，因而每个节点都相对独立，并可以连续控制，不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示色阶，所以TFT液晶显示屏的色彩显得更加真实。TFT液晶显示屏的特点是亮度好、对比度高、层次感强、颜色鲜艳。

从单总线采集到的数据存放在DS2438的13位专用寄存器之中，故最初获得的是一组长度为13位的二进制补码格式的测量数据，所以要按照DS2438数据手册的要求进行数据的转换[12]。在本系统的显示设置时，只显示了电池当前的电压、温度及剩余电量的百分比。根据铅酸蓄电池放电的经典曲线，在剩余电量达到电池的总电量的15%时，电池几乎失去对外满额电压的供电能力，故此时进行蜂鸣器的报警提醒。待蜂鸣器报警进行2m in后进行自动切断对外供电。

4 结语

介绍了基于DS2438电池能量管理芯片的电动汽车车载电池管理系统，设计并开发完成一套数据采集和显示设备。实验结果表明，本文所设计的电池能量管理系统可以实现对12 V铅酸蓄电池的放电电流、电压、本身温度等模拟量参数的实时采集，进而对电池的剩余电量和电池荷电状态进行估算，利用液晶显示板实时显示电池的剩余电量，能够在电池剩余电量少于15%的情况下进行自动故障报警。该系统可以大大提高电动汽车的车载电池能量监控效果，方便用户进行合理预计剩余电量，合理选择运行时间。

[1]肖秀玲.基于现场总线技术的轻型电动车电池管理系统的设计[C]//中国电工技术学会2002：中国电动汽车研究与开发，深圳：中国电工技术学会，2002：6.

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Batterymanagementsystem of carsbased on DS2438

GUO Ke-you，GUO Xiao-li，WANG Yi-wei
(School ofMaterialand Mechanical Engineering，Beijing Technology and BusinessUniversity，Beijing 100048，China)

Aimed at the characteristics of electric vehicles，an electric vehicle battery management system was developed by using a single bus device DS2438 of DALLAS and MC9S12XS128 of Freescale 16-bit MCU.The continuous sam pling of the main parameters such as voltage，current and tem perature during driving was imp lemented.By using the single bus，the data information was transm itted to themain controlchip.The bestbattery charging solutions were proposed tomake fulluse ofbattery energy.The two points above lay the foundation for the research of vehicle energymanagement.The benefits of single bus devices are as follows.Multiple devices can be mounted on the road;the telecommunication lines can be more of a set of batteries monitoring;it reduces the com plexity of the hardware and has the advantages of low cost，easy installation and maintenance.The system improves the reliability of the battery and prolongs the service life of the battery.

lead-acid batteries;remaining power;DS2438;single bus;MC9S12XS128

TM 912

A

1002-087 X(2016)07-1416-03

2015-12-06

北京市属高等学校人才强教计划资助项目(PHR20110876)

郭克友(1975-)，男，黑龙江省人，博士，副教授，主要研究方向为安全辅助驾驶。