消防移動終端的電池管理系統(tǒng)設計

倪小宏+王均明+王全東

摘 要： 從硬件與軟件兩個方面著手，使用STM32微處理器與各類采集傳感器為硬件核心，拓展必要的外部設備，設計完成電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用保證移動終端安全、提高電池壽命的一項關鍵技術，它具有保護電池性能，防止電池組中個別電池早期損壞的功能，利于對電池的偵測，還具有保護和報警的功能。

關鍵詞： 電池智能管理； STM32； SOC； 嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TN965.6 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）03-37-04

Abstract： From two aspects of hardware and software， using STM32 microprocessor and all kinds of acquisition sensor as the core of hardware， expanding the necessary external devices， the battery management system is designed. The system uses a key technology to ensure the security of mobile terminal and improve the battery life that it has the functions of protecting the battery performance， preventing the early damage of the individual batteries in the battery pack， and has the functions of protection and alarm.

Key words： battery intelligent management； STM32； SOC； embedded system

0 引言

隨著消防移動智能終端的研究和發(fā)展，電池以及其管理系統(tǒng)的研究與制造越來越重要。解決該問題的關鍵部分是如何有效地利用電池的能量，延長電池的壽命。

我國對智能終端的發(fā)展和未來非常重視，在“十五”規(guī)劃中列為國家高科技攻關項目，同時列為國家“863”攻關項目，其中多所高校都對智能通信的電池管理系統(tǒng)進行了研究?？傮w來講，電池管理系統(tǒng)與電機控制技術、電池技術、電機相比并不成熟。電池管理系統(tǒng)是移動通信設備最關鍵的技術之一，近年來雖然有很大的提高，在很多方面都開始應用，但一部分仍然不夠完善，尤其是在安全管理、SOC的估算精度和采集數(shù)據(jù)的可靠性等方面都有待改進和提高。

電池管理系統(tǒng)利用電池的能量，來估算剩余電量SOC，保證SOC工作在合理的范圍內(nèi)，預防過充電以及過放電對電池的損傷，以此來延長電池的壽命。電池管理系統(tǒng)能早期對故障電池進行預測，預防因單體電池損壞且未及時發(fā)現(xiàn)而造成的整組電池壽命降低，導致設備運行時間的下降[1]。電池管理系統(tǒng)通過檢測電池的電流、電壓、溫度等信息，對設備及使用操作人員提供預警信息，來防止設備使用過程中電池損壞或電池耗損導致失去電能，保證更長的設備使用和待機時間[2，8]。

本項目結合消防移動智能終端的研制，研發(fā)出適用于移動終端的電池管理系統(tǒng)。針對以上電池所出現(xiàn)的問題，現(xiàn)研發(fā)了一套新型電池能量管理系統(tǒng)以確保電源系統(tǒng)能夠正常應用，系統(tǒng)應用了保證像圖傳、通信等移動終端安全、提高電池壽命的一項關鍵技術，它具有保護電池性能，防止電池組中個別電池早期損壞的功能，利于終端的運行，還具有保護和報警的功能。協(xié)調(diào)工作是依靠對電池模塊的監(jiān)控來實現(xiàn)的，它可以計算并發(fā)出執(zhí)行指令，相關指令，向用戶提出警告[6-7]。

1 SOC算法

電池的荷電狀態(tài)SOC反映電池的剩余容量狀況。換而言之，在一定的放電率下，當前電池的剩余容量與總的可用容量的比值[4]。其數(shù)學表達式如下：

其中，Qt為電池當前時刻的剩余電量；Qo為電池的總?cè)萘俊?/p>

充分發(fā)揮電池能力和提高安全性兩個角度對電池進行高效管理，以及電動汽車電池在使用過程中表現(xiàn)的高度非線性，這兩個方面導致準確估算SOC富有很大難度。傳統(tǒng)方法有放電實驗法，Ah積分法，開路電壓法，測量內(nèi)阻法，線性模型法，卡爾曼濾波，神經(jīng)網(wǎng)絡。

本系統(tǒng)采用的卡爾曼濾波法，建立在安時積分法的基礎之上[5]。卡爾曼濾波是對動力系統(tǒng)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計的思想。該方案應用在蓄電池的SOC估計。電池被視為動力系統(tǒng)而荷電狀態(tài)為系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。該系統(tǒng)被用來的輸入項目有：電池電流、電池剩余容量、環(huán)境溫度、極化內(nèi)阻以及歐姆內(nèi)阻等變量。系統(tǒng)的輸出為：電池的工作電壓。由于電池等效模型所確定的是非線性方程，而在計算過程中要實現(xiàn)線性化。預估電池荷電狀態(tài)方法的核心思想是包括反映估計誤差和荷電狀態(tài)估計值、協(xié)方差矩陣的遞歸方程，協(xié)方差矩陣可以用來給出估算誤差范圍?？柭鼮V波在實際運用過程中矩陣運算量大，因而運算能力強的單片機。

采用基本卡爾曼濾波和擴展卡爾曼濾波方法估計電池SOC時，一般假定噪聲為零均值白噪聲，且噪聲方差已知。在噪聲確定的情況下，基本卡爾曼濾波和擴展卡爾曼濾波方法的估計效果很好，但實際上白噪聲不存在。在電池管理系統(tǒng)采樣過程中，采樣信號常會受到一些未知噪聲的干擾，經(jīng)常采集到一些超出范圍的數(shù)值，對這些干擾在硬件濾波基礎上加以自適應卡爾曼濾波，不但降低了硬件成本，而且易于實現(xiàn)。自適應卡爾曼濾波方法在擴展卡爾曼濾波方法基礎上，由測量數(shù)據(jù)實時估計狀態(tài)的動態(tài)變化，不斷估計并修正噪聲的統(tǒng)計特性，進而可以準確估計系統(tǒng)狀態(tài)。

采用自適應卡爾曼濾波器方法估計電池SOC，步驟如下：

⑴ 設初始狀態(tài)的估計值和初始狀態(tài)誤差的協(xié)方差P0分別為：

由此，自適應卡爾曼濾波估計方法在基本卡爾曼濾波方法基礎上，在線實時估計qk、Qk、rk和Rk，不斷修正狀態(tài)變量SOC的估計值，提高了SOC估計精度。

2 硬件系統(tǒng)設計

電池管理系統(tǒng)（BMS）主要由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)采集單元、中央處理單元、均衡單元檢測部件、顯示單元、控制部件等組成。采集模塊是由電壓采集模塊和溫度采集模塊等組成，均衡模塊通常與檢測模塊放一起，顯示單元是由液晶屏、顯示板、上位機及鍵盤組成。相互間的信息通訊一般采用CAN現(xiàn)場總線技術實現(xiàn)[3，9，10]。

電壓檢測模塊：電壓檢測是通過電池管理芯片LTC6803-3實現(xiàn)對電池組總電壓、各單體電池電壓的采集，將采集來的數(shù)據(jù)傳送至單元板進行保存、計算以及分析判斷。

電流檢測模塊：電流檢測是通過霍爾電流傳感器TBC06DS3.3，單元板將采集到的電流值直接讀入，然后將其保存或供系統(tǒng)使用。

溫度檢測模塊：溫度檢測模塊采用目前最成熟穩(wěn)定的熱電偶測溫技術來實現(xiàn)，熱電偶傳輸過來的模擬差分電壓可以解析出溫度值來，通過熱電偶溫度傳感器解析出溫度值后，通過SPI總線上傳到溫度模塊內(nèi)的單片機，單片機再對溫度值做溫度補償?shù)溶浖\算處理后，上報給主控單元。

均衡控制模塊：均衡模塊只在電池組充電時作用，為保持電池組各單體電池的一致性，使用電阻均衡方式，在系統(tǒng)中某一單元電池電壓超高時，將關斷充電電路，將多余電量用水泥電阻消耗掉。

通信模塊：通信模塊主要使用485通信，實現(xiàn)單元板與主控板或整車控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

3 軟件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)所有的程序模塊都是用C語言來編寫的，具有語言簡單、使用方便靈活、可移植性好、結構化程序設計的特點。根據(jù)開發(fā)需求，本設計實現(xiàn)了對電池組的管理，根據(jù)安全要求以及電池管理系統(tǒng)對電源管理的任務，結合硬件的搭建和軟件的編寫，將管理系統(tǒng)軟件部分劃分為四大模塊，即數(shù)據(jù)采集模塊、均衡模塊、SOC算法模塊和通訊模塊[2-3]。各模塊實現(xiàn)的功能如下：

⑴ 數(shù)據(jù)采集模塊：實現(xiàn)對電池組信息的實時采集，電池組信息主要包括單體電池的電壓、溫度，電池組的總電壓和充放電電流。

⑵ 均衡模塊：實現(xiàn)電池組各單體電池之間的均衡，當電池組中某單體電池電壓出現(xiàn)異常時，停止充電，并對其采取相應操作，保證電池組中單體電池的一致性。

⑶ SOC算法模塊：實現(xiàn)電池組的SOC估算，通過相應的算法子程序?qū)崿F(xiàn)對電池組電量的估計，保證完成實時對電量的監(jiān)控。

⑷ 通訊模塊：實現(xiàn)電源管理系統(tǒng)通信功能，提供數(shù)據(jù)傳送的接口，包括同主控板的通信，本設計采用CAN總線通信。

4 結論

本系統(tǒng)經(jīng)過整體測試，結果表明，達到了預期的效果。電池管理系統(tǒng)作為一個實時監(jiān)控系統(tǒng)，需要對電池的電壓、電流及溫度等信息實時查詢，實時響應各類通信命令，并作出響應控制操作。系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r監(jiān)控電池狀態(tài)，還可以優(yōu)化使用電池能量，延長電池壽命，保證電池的使用安全。

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