航空電源電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)*

孫延鵬，張洪嘉，閆　鑫，鮑喜榮，張 石（.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 036；.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧　沈陽(yáng) 089）

航空電源電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)*

孫延鵬1，張洪嘉2，閆鑫2，鮑喜榮2，張 石2
（1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 遼寧省通用航空重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng) 110136；
2.東北大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110819）

針對(duì)航空電源電池管理系統(tǒng)可靠性的需要，研究了現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于飛思卡爾MC9S12XET256和Linear 6804-2的電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件包括電池組電池電壓測(cè)量電路、溫度測(cè)量電路、電池充放電電壓電流測(cè)量電路以及基于Linear 6820的isoSPI和SPI轉(zhuǎn)換電路；軟件設(shè)計(jì)包括電池電量數(shù)據(jù)讀取、溫度數(shù)據(jù)讀取、充放電電流計(jì)算、均衡控制、電池荷電狀態(tài)（SOC）與健康狀況（SOH）的計(jì)算以及主控芯片的任務(wù)管理與通信。試驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試精度高，可在電池管理實(shí)際工程中使用。

電池管理系統(tǒng)；MC9S12XET256；Linear 6804-2；SOC；SOH

0　引言

隨著航天事業(yè)的不斷發(fā)展，其機(jī)載用電設(shè)備日益增多，航空電源電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為了關(guān)鍵。航空電源電池管理系統(tǒng)不僅是功能系統(tǒng)，也是重要的安全保障系統(tǒng)。由于全電飛機(jī)的不斷發(fā)展，航空電源電池系統(tǒng)的重要性也將提升到一個(gè)新的高度。一個(gè)好的電源電池管理系統(tǒng)不僅要對(duì)電池組的電壓電流進(jìn)行檢測(cè)，電池荷電狀態(tài)及健康狀態(tài)的估計(jì)，電池的充放電均衡問(wèn)題也成為研究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的BMS系統(tǒng)可準(zhǔn)確測(cè)量各單體電池電壓以及總電壓、總電流、溫度及氣壓等信息，同時(shí)具有均衡單體電池電壓，控制電池充放電等功能。并且采用基于擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）的鋰電池荷電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）估計(jì)方法，可使系統(tǒng)準(zhǔn)確掌握鋰電池組的工作狀態(tài)。

1　硬件設(shè)計(jì)

本次電源管理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。該系統(tǒng)通過(guò)各電池狀態(tài)監(jiān)控子板完成對(duì)電池電壓的測(cè)量與采集，由 isoSPI隔離式串行接口通信傳送給主控板，主板通過(guò)CAN總線(xiàn)傳輸給上位機(jī)進(jìn)行界面顯示。

圖1　電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

1.1主板部分

1.1.1CPU的選型

本文介紹的電池管理系統(tǒng)主要功能是完成電池電壓、電流和溫度的采集與調(diào)節(jié)，電池電壓、剩余電量及電池健康狀態(tài)的顯示，并且具有與其他控制器的通信等功能，需要通過(guò)采集電壓和電流的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算出電池組的荷電狀態(tài)（SOC）。所以本次設(shè)計(jì)采用飛思卡爾推出的16 位MC9S12XET256作為本電池管理系統(tǒng)的主控芯片，該芯片速度快，可靠，抗干擾能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的全部功能。具有SPI串行外圍接口模塊，通過(guò)Linear 6820實(shí)現(xiàn) isoSPI與四線(xiàn)制 SPI的轉(zhuǎn)換，CPU由 isoSPI通信接口與各電池狀態(tài)監(jiān)控子板進(jìn)行通信，讀取監(jiān)控子板采集的單體電池電壓，控制監(jiān)控子板進(jìn)行電池能量均衡操作。1.1.2充/放電電壓電流測(cè)量

采用外圍芯片 ADS1115對(duì)電池的充放電電壓電流進(jìn)行測(cè)試，充放電電流通過(guò)霍爾電流傳感器傳送至A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADS1115為超小型、低功耗、16位高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片，執(zhí)行轉(zhuǎn)換速率高達(dá)每秒860個(gè)樣本。如圖2所示，ADS1115具有一個(gè)片上可編程增益放大器（PGA），能夠以高分辨率來(lái)測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)，還具有一個(gè)輸入多路復(fù)用器（MUX），可提供2個(gè)差分輸入或4個(gè)單端輸入。本次設(shè)計(jì)采用單端輸入方式分四路分別測(cè)量充放電電壓與電流，電壓與電流測(cè)量的準(zhǔn)確性為后續(xù)SOC的估算提供了精度保證。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，充/放電電流的測(cè)量誤差＜3％，電池組總電壓的測(cè)量誤差＜2％。

圖2　ADS1115內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.1.3氣壓值的采集

采用BMP085氣壓傳感器進(jìn)行氣壓值的采集，BMP085精度高，耗能低，通過(guò) I2C總線(xiàn)直接與處理器相連，將采集的氣壓值直接傳送給處理器進(jìn)行處理。

1.1.4LTC6820 isoSPI收發(fā)器

LTC6820將LTC6804-2監(jiān)控子板與 CPU相連，實(shí)現(xiàn)串行外圍接口 （SPI）總線(xiàn)的雙向傳輸，LTC6820在使用時(shí)，SPI數(shù)據(jù)被編碼成差分信號(hào)，然后通過(guò)雙絞線(xiàn)和一個(gè)簡(jiǎn)單低成本的以太網(wǎng)變壓器發(fā)送。CPU由isoSPI通信接口讀取監(jiān)控子板采集的單體電池電壓，控制監(jiān)控子板進(jìn)行電池能量均衡操作。

1.2子板部分

監(jiān)測(cè)子板是基于 Linear公司的 LTC6804-2多節(jié)電池的電池組監(jiān)視器。LTC6804-2可測(cè)量多達(dá) 12個(gè)串接電池的電壓并具有低于1.2 mV的總測(cè)量誤差，可在290 μs之內(nèi)完成系統(tǒng)中所有電池的測(cè)量。通過(guò)isoSPI串口與單片機(jī)相連，可實(shí)現(xiàn)高速、抗RF干擾的局域通信。如圖3所示，本次設(shè)計(jì)采用一種多地址配置的方式將主板與8塊監(jiān)測(cè)子板相連。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，子板測(cè)量單體電池電壓精準(zhǔn)，其測(cè)量誤差＜0.05％。同時(shí)，子板還可實(shí)現(xiàn)電芯溫度的測(cè)量，其內(nèi)部具有5個(gè)通用的I/O口，外接熱敏電阻，通過(guò)I/O口的A/D測(cè)量間接反映溫度的值，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，溫度的測(cè)量誤差＜1℃。

圖3　多個(gè)LTC6804-2連接至單個(gè)isoSPI主控器

2　SOC和SOH算法

本設(shè)計(jì)采用擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估算電池的SOC 和SOH。對(duì)于SOC的估計(jì)，目前有放電實(shí)驗(yàn)法、電阻法、安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法、模型法和卡爾曼濾波法，通過(guò)對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用的考慮，認(rèn)為擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）是一個(gè)優(yōu)秀的狀態(tài)估計(jì)策略。本次設(shè)計(jì)采用精度較高的Randles模型，并在擬合電池的 OCV（開(kāi)路電壓）-SOC曲線(xiàn)時(shí)通過(guò)引入自然指數(shù)函數(shù)并增加多項(xiàng)式階數(shù)等方法提高擬合精度。

2.1鋰電池系統(tǒng)建模

目前常用的鋰電池系統(tǒng)模型有RC模型、Thevenin模型和Randles模型，其中Randles模型使用兩個(gè) RC環(huán)節(jié)模擬電池的極化效應(yīng)，精度最高。本次設(shè)計(jì)采用Randles模型，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　鋰電池系統(tǒng)Randles模型

上圖中，Uocv（SOC）為鋰電池的開(kāi)路電壓，R0為電池內(nèi)阻，R1C1、R2C2兩個(gè) RC環(huán)節(jié)用來(lái)描述電池極化效應(yīng)，其電壓分別為 U1、U2，干路電流為 I，定義時(shí)間常數(shù) τ1= R1C1，τ2=R2C2，則有：

在式（1）中，U1（0）、U2（0）分別為電容 C1、C2的初值，UOCV（SOC）為SOC的函數(shù)。OCV-SOC擬合時(shí)引入自然指數(shù)函數(shù)并用6項(xiàng)多項(xiàng)式擬合，即：

其中，a0，a1…a6，b0，b1為與電池本身特性相關(guān)的參數(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將電池涓流充滿(mǎn)，斷電；然后，充分靜置約 3h，記錄 SOC=100％時(shí)對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓；而后，使用小電流階段放電的方法，步進(jìn)式地將電池的SOC調(diào)整至90％、80％、70％…20％等，并在每一次調(diào)整完畢后充分靜置以獲取準(zhǔn)確的開(kāi)路電壓，從而得到電池的OCVSOC曲線(xiàn)，然后用最小二乘法擬合即可估計(jì)出這些參數(shù)。忽略溫度、循環(huán)次數(shù)等因素的影響，進(jìn)行混合脈沖功率試驗(yàn)（HPPC），即對(duì)電池以恒流 I0放電10s，靜置 40s，恒流I0充電10s，靜置40s，記錄電池電流和端電壓，根據(jù)參考文獻(xiàn)［1］中的參數(shù)辨識(shí)計(jì)算得到電池模型中的各個(gè)參數(shù)。

2.2鋰電池組SOC和SOH估算

2.2.1EKF算法

EKF［2］是標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波在非線(xiàn)性系統(tǒng)中的一種擴(kuò)展，是一種針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)變量的最優(yōu)估計(jì)，且由于算法具有遞推特性，非常容易實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)估計(jì)。設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)方程為：

其中，X為系統(tǒng)狀態(tài)變量，U為輸入信號(hào)，Z為量測(cè)輸出，W與V為驅(qū)動(dòng)噪聲和量測(cè)噪聲，為不相關(guān)的白噪聲，且其方差陣分別為Q和R，則其遞推算法為：

（1）k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)：

X（k|k-1）=AX（k-1|k-1）+BU（k-1）

（2）k時(shí)刻系統(tǒng)預(yù)測(cè)狀態(tài)誤差協(xié)方差陣的預(yù)測(cè)：

P（k|k-1）=AP（k-1）AT+Q

（3）系統(tǒng)量測(cè)-狀態(tài)轉(zhuǎn)換矩陣的計(jì)算：

（4）計(jì)算增益矩陣 Kg：

Kg（k）=P（k|k-1）C（k）［C（k）P（k|k-1）C（k）T+R］-1

（5）計(jì)算k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)值：

X（k|k）=X（k|k-1）+Kg（k）［Z（k）-g（X（k），U（k））］

（6）更新k時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)誤差協(xié)方差陣：

P（k|k）=［1-Kg（k）C（k）T］P（k|k-1）

2.2.2SOC估算

設(shè)系統(tǒng)采樣時(shí)間為 Δt，電池總電量為Q0，則SOC與電流、電量之間的關(guān)系為：

其中，k為采樣序列的序號(hào)。結(jié)合式（1）建立系統(tǒng)狀態(tài)方程：

由式（2）可知：

按照EKF的遞推公式進(jìn)行迭代，即可對(duì)電池的SOC進(jìn)行估算。

2.2.3SOH估算

本文通過(guò)電池內(nèi)阻來(lái)表征電池的健康狀態(tài)，將電池歐姆內(nèi)阻R0作為系統(tǒng)狀態(tài)，并認(rèn)為它是緩慢變化的，得到如下的離散狀態(tài)空間系統(tǒng)方程和輸出觀(guān)測(cè)方程：

式（8）描述電池歐姆內(nèi)阻的變化，以一個(gè)小的擾動(dòng)r來(lái)表示歐姆內(nèi)阻變化緩慢。式（9）是輸出觀(guān)測(cè)方程，n（k）表示估計(jì)誤差。

3　軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能將軟件設(shè)計(jì)分成部分模塊，對(duì)各個(gè)模塊單獨(dú)編碼調(diào)試，最后將各個(gè)模塊集成起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全部功能。

3.1軟件設(shè)計(jì)的功能模塊

根據(jù)鋰電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)需求，軟件設(shè)計(jì)的各功能模塊主要包括監(jiān)控子板對(duì)單體電池電壓值的采集模塊、電芯溫度的采集模塊、電池能量均衡控制模塊、充/放電控制及電壓電流采集模塊、氣壓采集模塊、SOC和SOH估算模塊、通信和時(shí)鐘模塊。圖5所示為各模塊關(guān)系結(jié)構(gòu)圖。

圖5　各模塊關(guān)系結(jié)構(gòu)圖

3.2軟件設(shè)計(jì)的流程圖

根據(jù)電源管理系統(tǒng)功能的總體要求，對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行編碼調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)的總體流程如圖6所示。

4　結(jié)論

本文對(duì)電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的采集采用抗擾性能極強(qiáng)的隔離采集技術(shù)，精度高，速度快；在通信上，采用 isoSPI隔離式串口通信與CAN總線(xiàn)通信；采用擴(kuò)展卡爾曼濾波法進(jìn)行SOC與 SOH的估算，較其他算法精度高，通用性好?？傮w上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與調(diào)控。

［1］薛輝.動(dòng)力鋰離子電池組 S0H估計(jì)方法研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

［2］方明杰，王群京.基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的鋰離子電池的SOC估算［J］.電工電能新技術(shù)，2013，32（2）：39-42.

圖6　軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖10　創(chuàng)建催辦提醒過(guò)程示意圖

3.3.2終止催辦提醒

多元化催辦的終止過(guò)程如下：

（1）某一活動(dòng)a2完成，需要終止上一活動(dòng)a1完成時(shí)所創(chuàng)建的催辦提醒。

（2）找到StartActivity=a1，EndActivity=a2的催辦消息提醒，改變其狀態(tài)：若活動(dòng)a2完成時(shí)尚未進(jìn)行過(guò)催辦提醒，則將催辦的狀態(tài)置為FinishedBeforeRemind，否則將催辦的狀態(tài)置為FinishedAfterRemind。

4　總結(jié)

本文提出了一種多元化催辦的模型，描述了催辦的算法，并給出了催辦實(shí)現(xiàn)的三種方式：系統(tǒng)短消息、電子郵件和短信。三種方式的有效結(jié)合，可以確保用戶(hù)收到準(zhǔn)確、及時(shí)、恰當(dāng)?shù)奶嵝?。本文中采用XML來(lái)描述催辦模型和催辦類(lèi)型的定義，在需求變化時(shí)，通過(guò)修改XML文件即可方便實(shí)現(xiàn)。

在接下來(lái)的工作中，將繼續(xù)完善多元化催辦模型及算法，增加新的催辦方式，并研究可視化的建模工具。

參考文獻(xiàn)

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（收稿日期：2015-03-09）

作者簡(jiǎn)介：

任迎迎（1988-），通信作者，女，碩士，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。E-mail：ouc_renyingying@126.com。

徐建良（1969-），男，博士，教授，主要研究方向：計(jì)算復(fù)雜性理論、計(jì)算機(jī)軟件與理論。

BMS design of aviation power battery management system

Sun Yanpeng1，Zhang Hongjia2，Yan Xin2，Bao Xirong2，Zhang Shi2
（1.Liaoning Key Laboratory of General Aviation，Shenyang Aerospace University（SAU），Shenyang 110136，China；
2.Information Science and Engineering College，Northeastern University，Shenyang 110819，China）

For the needs of the reliability of the power supply of the aviation system，we studied the characteristics of the existing battery management system and designed a battery management system based on MC9S12XET256 chip which is designed by Freescale and Linear 6804-2.Hardware of the system includes a battery cell voltage measuring circuit，temperature measurement circuit，battery charge and discharge voltage and current measurement circuit，and isoSPI and SPI conversion circuit based on Linear 6820.Software of the system includes the battery data reading，temperature data reading，calculation of the charge and discharge current，balance control，the SOC and SOH，and the task management and communication of the master chip.The pilot testing results show that the system is stable，high precision，and can be used in battery management practical engineering.

battery management system；MC9S12XET256；Linear 6804-2；SOC；SOH

TM912

A

1674-7720（2015）15-0078-04

孫延鵬，張洪嘉，閆鑫，等.航空電源電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（15）：78-81.

2015-04-01）

孫延鵬（1973-），男，碩士，教授，主要研究方向：航空電子系統(tǒng)，雷達(dá)信號(hào)處理。

張洪嘉（1993-），男，本科在讀，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

閆鑫（1992-），女，本科在讀，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

工信部專(zhuān)項(xiàng)基金（41306213236）