基于嵌入式技術(shù)的礦用鋰離子電池電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李松++李碩++孫彥景

摘 要：文中采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一種鋰電池管理系統(tǒng)對(duì)煤礦井下鋰電池組進(jìn)行監(jiān)控與管理，具體包括電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、嵌入式軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)通過監(jiān)視電池組的熱、電等多種參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充放電管理與均衡保護(hù)，并通過按時(shí)計(jì)量法估算電池荷電狀態(tài)，從而最大程度保護(hù)電池組，增加電池的使用時(shí)間，延長(zhǎng)循環(huán)壽命。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù)；鋰電池；電池管理系統(tǒng)；荷電狀態(tài)

中圖分類號(hào)：TP39；TN85 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

近年來，由于鋰電池具有較高的比能量和比功率，使用壽命長(zhǎng)，綠色無污染等顯著特點(diǎn)，使得鋰電池在各個(gè)行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。在煤礦行業(yè)，由于井下條件惡劣，停電情況時(shí)有發(fā)生，為保障井下照明、監(jiān)控等系統(tǒng)的正常運(yùn)行，除了需要電廠雙路供電外，還需要配備為鋰電池供電的備用電源系統(tǒng)[2]。雖然鋰電池單體使用壽命較長(zhǎng)，但組成電池組容量會(huì)快速衰減，另外由于鋰電池自身的化學(xué)性質(zhì)比較復(fù)雜，過充過放對(duì)電池的性能和壽命影響很大[3]。在煤礦井下，大容量鋰電池過充電或過放電會(huì)產(chǎn)生高溫，產(chǎn)生不安全因素，在使用時(shí)需要進(jìn)行均衡管理。因此，本文研究設(shè)計(jì)了一種鋰電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）對(duì)煤礦井下的鋰電池組進(jìn)行監(jiān)控與管理。本系統(tǒng)通過監(jiān)視電池組的熱、電等多種參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充放電管理與均衡保護(hù)，從而最大程度保護(hù)電池組、增加使用時(shí)間并延長(zhǎng)循環(huán)壽命。

1 總體設(shè)計(jì)

礦用鋰電池管理系統(tǒng)用于對(duì)礦井下的電池組進(jìn)行智能管理，通過檢測(cè)電池組的溫度、電流、電壓等信息對(duì)電池組進(jìn)行充放電管理、均衡控制以及報(bào)警保護(hù)，以保障電池組穩(wěn)定、安全的運(yùn)行。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電壓采集模塊、電流采集模塊、溫度采集模塊、顯示模塊來完成對(duì)電壓、電流、溫度等信息的采集并在顯示屏上顯示，以反映電池組的運(yùn)行狀態(tài)。另外本系統(tǒng)設(shè)計(jì)保護(hù)電路、報(bào)警電路以及均衡電路，當(dāng)電池組在工作過程中出現(xiàn)過壓、過流、過溫等異常狀態(tài)時(shí)，保護(hù)電路通過控制繼電器實(shí)現(xiàn)充放電電路的斷開與閉合，完成對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，此時(shí)報(bào)警電路發(fā)出報(bào)警，提示系統(tǒng)出現(xiàn)異常需要處理或修復(fù)。而均衡電路則用于完成對(duì)電池組內(nèi)各不均衡單體電池的電量均衡，使異常單體電池與其他電池的電量特性趨于一致。

2 硬件設(shè)計(jì)

本電池管理系統(tǒng)為礦用鋰電池電源設(shè)計(jì)，根據(jù)《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求》，本電池管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有采集、保護(hù)、均衡和顯示與報(bào)警等功能。為滿足上述要求，選用微控制器與專用電池管理芯片組合的設(shè)計(jì)方案。電池管理芯片（LTC6803）自身具有均衡控制功能和A/D轉(zhuǎn)換功能，可以完成電池均衡和單體電池電壓采集。該方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本較低，可以對(duì)所需電池狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集顯示，可數(shù)字化控制。

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足礦用鋰電池電源管理所需功能，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括微控制器、電流采集模塊、溫度采集模塊、電壓采集模塊、均衡電路、異常保護(hù)與報(bào)警電路、顯示電路。此外，為實(shí)現(xiàn)礦用電源設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，需要與礦井監(jiān)控中心通信，所以需要通信電路模塊。

硬件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）微控制器的主要功能是協(xié)調(diào)各模塊完成信息交互，電池電壓、電流、溫度等信息的采集，電池均衡控制，電池狀態(tài)信息顯示，系統(tǒng)過流、過壓、過溫等異常狀態(tài)保護(hù)和報(bào)警等功能，是整個(gè)系統(tǒng)工作的核心控制部分；

（2）電流采集、溫度采集和電壓采集電路用于完成電流、溫度、電壓等反映電池運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)信息采集；

（3）均衡電路用于完成電池組內(nèi)各個(gè)單體電池的電量均衡，使異常單體電池與其他電池的電量趨于一致；

（4）LCD顯示模塊用于顯示電池組和電池組內(nèi)各個(gè)單體電池的運(yùn)行狀態(tài)；

（5）保護(hù)電路用于控制繼電器完成對(duì)系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)的過壓、過流、過溫等異常狀態(tài)的保護(hù)；

（6）報(bào)警電路用于對(duì)系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)過壓、過流、過溫等異常狀態(tài)時(shí)進(jìn)行報(bào)警；

（7）通信電路用于完成系統(tǒng)與監(jiān)控管理上位機(jī)、充電機(jī)或其它外圍設(shè)備的通信。

2.2 電流與溫度采集電路

電流采集為系統(tǒng)的荷電狀態(tài)（SOC）估算、過流保護(hù)以及數(shù)據(jù)顯示提供電流數(shù)據(jù)。電流采集方案有分流器和霍爾電流傳感器兩種，本系統(tǒng)選用霍爾電流傳感器FS100EK1進(jìn)行電流采集?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制成的一種磁場(chǎng)傳感器，用它采集電流的優(yōu)點(diǎn)是精度高，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單?；魻栃?yīng)是指當(dāng)電流垂直于外磁場(chǎng)通過導(dǎo)體時(shí)，在導(dǎo)體垂直于磁場(chǎng)和電流方向的兩個(gè)端面之間會(huì)出現(xiàn)電勢(shì)差。本系統(tǒng)將霍爾電流傳感器輸出的電壓濾波整流后接到微處理器，利用微處理器STM32的ADC端口采集電壓值，通過霍爾傳感器輸出電壓與電流值之間的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算最終電流值。

溫度對(duì)礦用鋰電池的工作狀態(tài)影響很大，若溫度不合適，不僅會(huì)導(dǎo)致電池的充放電量減少，而且在溫度過高的環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致鋰電池爆炸，所以溫度采集電路非常重要。本系統(tǒng)采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（Negative Temperature Coefficient，NTC）、多路選通開關(guān)CD4067和微處理器STM32自帶的ADC完成溫度采集。CD4067是一種數(shù)字控制的16路模擬開關(guān)，具有開啟電阻低、關(guān)斷漏電流小和內(nèi)部進(jìn)行地址解碼等優(yōu)點(diǎn)，可以控制16路模擬信號(hào)的切換。

溫度采集電路如圖3所示，電路中采用精度為1%、阻值為10 kΩ的定值電阻與精度為5%、阻值為10 kΩ的NTC電阻組成分壓電路。微控制器STM32控制CD4067依次將16路NTC兩端電壓傳送給STM32微處理器自帶的ADC采集端口，順序采集16路NTC電阻分壓值，進(jìn)而通過軟件計(jì)算出相應(yīng)的電阻值，再通過NTC電阻阻值和溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出溫度值。每路溫度信號(hào)輸入端都增加一個(gè)電解電容，用于濾除電路干擾，提高采樣精度。

2.3 電壓采集與均衡電路

電壓采集是電池管理的關(guān)鍵，電壓信號(hào)的準(zhǔn)確性直接影響著系統(tǒng)SOC估算精度和均衡控制。本系統(tǒng)電壓采集電路由電池管理芯片LTC6803及其相關(guān)外圍電路構(gòu)成。LTC6803是凌力爾特公司推出的鋰離子電池監(jiān)視芯片，該芯片主要包含一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)精確的電壓基準(zhǔn)、一個(gè)高壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)1 MHz的SPI串行接口。單個(gè)LTC6803芯片能夠測(cè)量12節(jié)鋰電池的電壓，可在13 ms內(nèi)完成電池組內(nèi)所有單體電池的電壓測(cè)量。本系統(tǒng)采用兩片LTC6803芯片采集16節(jié)磷酸鐵鋰電池電壓，兩個(gè)芯片以菊鏈的方式連接，與微控制器STM32的SPI接口相連。STM32與LTC6803之間通過SPI串行總線接口進(jìn)行通信，通過SPI總線可以直接從LTC6803寄存器中讀取電壓數(shù)據(jù)。

電池組容量與壽命的縮短主要原因是電池組內(nèi)各單體電池的充放電不均衡，這種不均衡現(xiàn)象會(huì)隨電池使用次數(shù)的增多而變得越來越大。為了解決電池組內(nèi)各單體電池之間充放電不均衡的問題，電池管理系統(tǒng)需要均衡電路。本系統(tǒng)均衡電路由LTC6803和外部均衡電路構(gòu)成，微控制器通過LTC6803對(duì)均衡電路進(jìn)行控制。LTC6803芯片本身具有電池均衡電路，但其均衡電阻在芯片內(nèi)部長(zhǎng)時(shí)間均衡會(huì)造成芯片發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)可能燒壞芯片，且芯片內(nèi)部均衡電阻阻值較大，均衡放電時(shí)均衡電流較小，均衡效果較差，所以本系統(tǒng)需要在LTC6803的外部重新設(shè)計(jì)電阻均衡電路。

系統(tǒng)均衡電路如圖4所示，LTC6803的C1、C0引腳分別通過一個(gè)100 Ω的限流電阻R150和R151與電池B1的正負(fù)極相連，C1、C0引腳分別接一個(gè)7.5 V的穩(wěn)壓二極管D24和D25用于保護(hù)LTC6803芯片，C1與C0之間的電壓差即為電池B1的電壓，LTC6803的S1引腳通過一個(gè)3.3 kΩ的限流電阻與P溝道MOS管Q1的柵極相連，電阻R15是均衡電阻。在充電時(shí)，當(dāng)電池B1電壓高于均衡開啟電壓時(shí)STM32微控制器通過SPI總線向LTC6803發(fā)送開啟均衡指令，LTC6803通過控制S1引腳的電平打開MOS管Q1，使電池B1通過電阻R15均衡放電。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用STM32F107作為主控制器基于μC/OS系統(tǒng)進(jìn)行編程，對(duì)電池組進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線控制。系統(tǒng)的主要任務(wù)有電池電壓、電流、溫度采集，SOC估算，電池組均衡保護(hù)以及報(bào)警，采集板與上位機(jī)間的通信。

系統(tǒng)首先使用采集模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)單體電池的電壓、溫度及電池組總電壓、總電流等信息并在LCD顯示屏顯示，通過采集的數(shù)據(jù)判斷是否需要均衡保護(hù)。然后通過SOC估算程序計(jì)算出電池SOC，再通過電流方向判斷應(yīng)對(duì)電池組充電還是放電，充電時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行充電均衡，放電時(shí)，設(shè)置SOC最小門限值，解決電池過放問題。最后將采集的數(shù)據(jù)保存到Flash存儲(chǔ)芯片中，使用CAN總線將保存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。系統(tǒng)軟件總流程如圖5所示。

3.1 SOC估算策略

目前電池SOC估算方法較多，常用的有安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)阻法、負(fù)載電壓法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等，上述幾種電池SOC估算方法各有特點(diǎn)，鑒于實(shí)際工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)的成本和算法難易程度，本系統(tǒng)采用安時(shí)計(jì)量法與負(fù)載電壓法相結(jié)合的方法來估算電池的SOC。安時(shí)計(jì)量法是目前最常用的電池SOC估算方法，其計(jì)算公式如下：

（1）

式（1）中，SOC為當(dāng)前時(shí)刻的電池荷電狀態(tài)，SOC0為充放電起始時(shí)刻電池荷電狀態(tài)，CN為電池額定容量，η為充放電電流方向（充電時(shí)該值為正，放電時(shí)該值為負(fù)）。

在電池進(jìn)行充放電過程中用安時(shí)計(jì)量法對(duì)電池的充放電電流在時(shí)間上進(jìn)行積分，得出充放電的電量，然后與電池標(biāo)稱容量相除再加上起始時(shí)刻電池SOC0，得出電池的當(dāng)前SOC。此外，在電池充滿或放完電時(shí)用負(fù)載電壓法來判定電池電量是否為滿或?yàn)榭?，以此可在每一次充放電循環(huán)后進(jìn)行SOC校正，從而得出較為準(zhǔn)確的電池SOC。

當(dāng)電池組在充電時(shí)對(duì)其實(shí)施充電均衡，當(dāng)電池組放電時(shí)設(shè)置電池組SOC最小值以及單體電池的放電電壓最小值，若電池組SOC低于最小值或單體電池的放電電壓最小值時(shí)停止放電，這樣可有效解決電池組中單體電池過充和過放問題，從而增加電池組放電效率并延長(zhǎng)電池組使用壽命。

3.2 CAN總線通信

系統(tǒng)通過CAN總線將電池管理系統(tǒng)的狀態(tài)信息傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，上位機(jī)可在線查詢電池組的工作狀態(tài)，包括電池電壓、溫度、電流、SOC、當(dāng)前狀態(tài)等信息。

CAN通信的設(shè)計(jì)由CAN初始化程序、接收程序和發(fā)送程序三部分組成。CAN總線采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，并對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行和校驗(yàn)，以確保上位機(jī)與電池管理系統(tǒng)通信的正確性。CAN發(fā)送程序嵌入定時(shí)器中，每隔1 s發(fā)送一次電池狀態(tài)信息，然后在主程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。以此即可完成電池管理系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控軟件主要是對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行在線監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示電池的狀態(tài)信息，并可以通過發(fā)送指令的方式對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。上位機(jī)通過串口使用轉(zhuǎn)換模塊連接到CAN總線，然后再與下位機(jī)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，用于查看電池的電壓、電流、溫度、SOC、工作狀態(tài)、報(bào)警信息，還可以遠(yuǎn)程設(shè)置電池管理系統(tǒng)的過充保護(hù)電壓、過放保護(hù)電壓、充放電過流保護(hù)電流、欠壓報(bào)警等系統(tǒng)參數(shù)信息，便于對(duì)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與設(shè)置。上位機(jī)軟件界面如圖6所示。

4 結(jié) 語

本礦用鋰電池管理系統(tǒng)采用STM32F107作為主控制器，LTC6803芯片作為電池管理芯片，具有實(shí)時(shí)性好，精確度高，性能好等特點(diǎn)。本系統(tǒng)完成了對(duì)電子組電流的采集、單體電池電壓的采集、溫度檢測(cè)、電池荷電狀態(tài)的估算，根據(jù)采集的信息對(duì)電池進(jìn)行均衡保護(hù)，并設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件與電池管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控電池管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)能保障煤礦井下電池組穩(wěn)定安全的運(yùn)行，減少了煤礦井下的不安全因素，延長(zhǎng)了電池使用壽命。

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