基于MSP430的锂电池SOP在线监测设计

张秋艳，高平安，赵 鹏，王 丽，韦 鹏

（1.榆林学院 能源工程学院，榆林719000；2.榆林市气象局，榆林719000）

随着人们环保意识的不断提高，世界各国对环保的要求也在不断地增强，新能源汽车就非常符合人们现阶段的需求[1]。为了减少污染气体的排放，维护环境的整洁，锂电池是新能源汽车动力源的不二之选[2]。锂电池的功率承受能力SOP 估算是新能源汽车安全控制及能量回收的重要参数，准确快速的SOP 估算能够为整辆汽车动力系统的功率分配和能量控制提供有效的支持和参考，不仅能够保证车辆的运行性能，还能很大程度地减少车辆对能量的消耗[3-4]。故在此设计了基于MSP430 的锂电池SOP 在线监测系统，该系统以MSP430 为主控制器，基于DS2438 芯片采集锂电池电压/电流信号，通过对采集到的电压/电流信号分析及处理得出锂电池SOP 估算值，并由LCD12864 在线显示，同时由USB 通讯模块将信号上传到上位机进行远程在线监测。

1 系统整体方案设计

锂电池SOP 在线监测系统结构如图1 所示，主要包括：

图1 系统结构框图Fig.1 System structure block diagram

1）控制器 选用美国德州仪器公司的具有超低功耗的16 位单片机MSP430F1101 为主控制器。其内置有A/D 转换器，可以更方便地对电压、电流等信号进行A/D 转换，无需外加其它器件就可以实现模拟信号和数字信号之间的转换[5]，且与8 位的51单片机相比，不仅省去专用AD 转换芯片，降低系统功耗，节省设计空间，而且信号处理精度更高[6]。

2）电压/电流采集模块 选用Maxim 公司的电池监测芯片DS2438 来采集锂电池的电压、电流，采用髙速暂存器的电压/电流信号读取，可以确保在用一线通讯时数据能够保持一致性[7-8]，且芯片小巧，可进一步缩小系统空间。

3）SOP 估算模块 将采集到的电压/电流信号传输到主控制器，主控制器根据峰值电流，对应电压计算出峰值功率，从而确定锂电池SOP 估计值。

4）LCD/上位机显示 系统将采集到电压/电流信号传输到LCD12864 实时显示，并通过CH340G接口芯片将电压/电流及SOP 估算值通讯到串口助手进行上位机实时监测。

2 硬件部分设计

2.1 电压/电流采集电路设计

设计选用DS2438 来测量锂电池的电压和电流，其硬件电路原理如图2 所示。

图中，DS2438 芯片的VCC 引脚接入3.3 V 的电压，VS+引脚接待测锂电池的负极，VS-接待测锂电池的正极，VAD 接入锂电池的监测电路中，DQ 引脚接MSP430F1101 单片机的P2.4 引脚。

图2 电压/电流采集电路Fig.2 Voltage/current acquisition circuit

电路中的R3主要起限流保护作用；R4和R5为分压电阻，按1∶3 的比例分担电路的电压；R6为保护电阻，用以保护电路；C9和C10为滤波电容，用于去除噪声对电路的干扰。DS2438 的VCC 引脚负责供电，VS+和VS-引脚负责采集锂电池的电流，电流从VS+引脚流入、从VS-引脚流出，VAD 引脚负责测量待测锂电池的电压，DQ 引脚负责将监测到的电压传送到MSP430F1101 单片机上，然后再将监测到的电流传送到MSP430F1101 单片机上。

2.2 显示电路设计

监测到的数据和估算出的SOP 值需要通过显示屏显示出来。设计中以常用的LCD12864 显示屏串行方式显示电压/电流、SOP 值等。其中，LCD12864显示屏的GND 引脚接地，LCD12864 的VCC 引脚接入3.3 V 电源并由一个滑动变阻器与VO 端口相连，通过改变滑动变阻器阻值，以调节屏幕的亮度。

为了实现上位机与MSPF1101 单片机之间的数据传输，选用CH340G 作为USB 的接口芯片来完成模块的设计。

3 软件系统设计

3.1 系统主程序

主程序是软件的中心控制和总调度模块，是软件设计的主要模块。系统主程序流程如图3 所示。

图3 系统总体流程Fig.3 System overall flow chart

先上电，系统初始化，再由电池监测芯片DS2438完成锂电池电压/电流信号的采集，MSP430F1101 单片机与DS2438 芯片之间的信号传输必须严格地按照芯片的读写时序要求进行程序的编写，采集锂电池的电压和电流时，需要发送电压和电流转换命令，然后等待采集完成，并将测量值自动存储到相应的寄存器中。电流流入和流出收集以36.41 次/s的速度自动完成，然后读取寄存器数据。该程序模块每隔10 s 对锂电池的电压、 电流进行一次监测，并将监测到的电压、电流存储到电压存储器和电流存储器中，当写入读取电压指令时读取电压存储器（BEHXXH）信息，当写入读取电流指令时读取电流存储器（AEHXXH）信息。再次，将读入的电压/电流信号通过SOP 估算程序，进行SOP 的在线估算。最后，将电压/电流及SOP 估算值通过显示子程序进行在线显示，同时通过串口助手进行上位机的远程监测。

3.2 SOP 估算程序设计

锂电池的SOP 估算，即功率状态估算，在此采用峰值功率法对电池SOP 进行估计。计算电池功率状态首先需估算出电池的峰值功率。在电池手册中给出了锂电池的额定功率，设计中所采用的电池容量为4800 mA·h，额定功率为12.58 W，峰值功率将由本系统检测得出。由于电动汽车对动力型锂电池峰值放电功率要求坚持时间不少于10 s，故在此以10 s 为标准探寻锂电池峰值功率，锂电池在满电量状态时，初始状态采用1 A 电流放电设计，持续10 s，并由MOS 场效应管控制提高系统电流，栅源电压UGS每次提高0.5 V，UGS在2.4～6 V 之间改变，系统将持续监测电池电流以及电池电压，当系统电流到达一定程度，电池压降下降到截止电压以下时，则认定上次测试功率为峰值功率，截止电压设定为3.2 V。其SOP 估算程序流程如图4 所示。

4 系统测试

在完成系统设计后，按照上述硬件设计和软件程序设计，搭建硬件实物，对系统进行测试。上电后，LCD12864 正常显示。显示“基于MSP430 单片机的锂电池SOP 在线监测”字样，自上电后到装入锂电池前一直维持该显示界面不变。

图4 锂电池SOP 估算子程序Fig.4 Lithium battery SOP estimation subroutine

装入锂电池后，系统开始工作运行，显示界面发生变化，由初始的界面变为显示锂电池电压、电流的界面（如图5a 所示），并且每隔10 s 变换一次电压、电流的测得数据（如图5b 所示），直至估算出SOP 值（如图5c 所示），其测试结果如图5 所示。

图5 系统测试的显示情况Fig.5 System test display

与此同时，将相关信息通过USB 接口传输到电脑，借助串口助手软件接收，并在电脑端显示。在此采用SSCOM V.13.1 进行调试工作，可以正常地显示电压、电流、SOP 等数据，锂电池SOP 检测系统上位机显示如图6 所示。经测试，可知该锂电池的SOP 状况，系统运行正常，能够实现所有功能，系统调试测试完成。

图6 上位机显示界面Fig.6 PC display interface

5 结语

所设计的基于MSP430 的锂电池SOP 在线监测系统，能够完成锂电池电压/电流信号的在线检测，并将电压/电流信号通过SOP 估算子程序进行信号的分析与处理，估算出锂电池的SOP 状况，并由LCD12864 在线显示，同时将所有信息通过串口助手上传到上位机，实现锂电池SOP 状态的远程监测功能。测试结果显示，该系统可较好地完成了预定的功能，对锂电池作为电动汽车动力源的使用状态提高较好参考价值，具有较好的发展前景。