24 V/20 A磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)*

尤曉蕾，任紀(jì)偉，王超梁

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

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24 V/20 A磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)*

尤曉蕾1，任紀(jì)偉2，王超梁1

(1.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院，河南 鄭州 450046； 2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

磷酸鐵鋰電池作為一種新型的鋰離子蓄電池，具有高容量、高輸出電壓、良好的充放電特性，但也存在著電池組一致性、電池過(guò)充等問(wèn)題，因此在實(shí)際使用中需要配合電池管理系統(tǒng)(BMS)對(duì)其進(jìn)行管理和保護(hù)，以發(fā)揮其最佳性能。文中設(shè)計(jì)了一款具有24 V/20 A輸出功能的磷酸鐵鋰電池電源管理系統(tǒng)，利用模塊化的設(shè)計(jì)理念，采用MAX17830的硬件架構(gòu)對(duì)電池組進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并使用RT-Theart嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)管理。其主要研究?jī)?nèi)容是磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)平臺(tái)測(cè)試。

磷酸鐵鋰電池；電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；RT-Theart嵌入式系統(tǒng)

0 引言

磷酸鐵鋰電池作為一種新型的鋰離子蓄電池，是傳統(tǒng)的鉛酸、鎳氫等蓄電池?zé)o法相比的，鋰離子蓄電池組尤其是磷酸鐵鋰蓄電池組和電池管理系統(tǒng)(Battery Management System, BMS)隨著技術(shù)發(fā)展的不斷完善將逐步應(yīng)用于車(chē)載電源系統(tǒng)之中[1]。配合電池管理系統(tǒng)對(duì)車(chē)載電源系統(tǒng)進(jìn)行管理和保護(hù)能夠發(fā)揮其最佳性能。電池管理系統(tǒng)自產(chǎn)生開(kāi)始，便得到了世界各國(guó)的重視，我國(guó)首次出現(xiàn)BMS研究在2000年前后，相比美國(guó)、日本等國(guó)家較晚，但我國(guó)對(duì)BMS的研究非常重視，“十一五”期間建立了電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目，對(duì)電池管理系統(tǒng)的研究也取得了重大進(jìn)展。如今，BMS已經(jīng)成為國(guó)家和企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注和投資的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。

目前磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)智能化程度低，通用互換性差[2]，故從電池應(yīng)用的實(shí)際需求出發(fā)，根據(jù)電池供電系統(tǒng)方便、簡(jiǎn)潔、安全、高效的要求，結(jié)合電池應(yīng)用中磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)的特殊情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)在使用中可以輸出24 V/20 A直流(DC)的磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)控制、溫度管理、均衡管理等功能，系統(tǒng)可以通過(guò)串、并聯(lián)等多種組網(wǎng)方式對(duì)外提供多種直流電。并對(duì)磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)等技術(shù)展開(kāi)系統(tǒng)研究，硬件采用MKE02Z64VQH2微控制器和MAX17830架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，采用ARM-M0+內(nèi)核的KinetisE系列MCU作為系統(tǒng)的主處理器對(duì)數(shù)據(jù)及整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理。系統(tǒng)功能模塊有穩(wěn)壓模塊、電壓采集與均衡、電流采集模塊、溫度采集模塊、充放電控制模塊以及顯示控制模塊；軟件采用RT-Theart嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效保障管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。軟件編寫(xiě)根據(jù)功能的不同采用模塊化的編程結(jié)構(gòu)，以便軟件的維護(hù)和移植。

1 磷酸鐵鋰電池BMS軟件設(shè)計(jì)

磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)基于MDK-ARM Microcontroller Development 4.73集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言及部分匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)，再編譯成相應(yīng)的執(zhí)行文件格式，通過(guò)SWD協(xié)議下載到MCU上執(zhí)行。按照穩(wěn)定高效、低功耗等技術(shù)參數(shù)及要求，預(yù)設(shè)本電池管理系統(tǒng)由動(dòng)態(tài)信息采樣、電管理、熱管理、均衡管理、數(shù)據(jù)管理、狀態(tài)管理、系統(tǒng)自檢7個(gè)功能體系構(gòu)成，從以上7個(gè)方面對(duì)電池能量系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、耐用性、易用性進(jìn)行管理。采用RT-Theart嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，軟件體系結(jié)構(gòu)[3-4]如圖1所示。

圖1 軟件基本架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)開(kāi)機(jī)自檢流程圖

當(dāng)接通電源打開(kāi)電池電源管理系統(tǒng)時(shí)，管理系統(tǒng)首先開(kāi)機(jī)自檢和初始化。自檢包括溫度傳感器檢測(cè)、顯示器測(cè)檢、MAX17830芯片檢測(cè)、電流傳感器檢測(cè)以及通信檢測(cè)。初始化包括電池的電壓、電流、溫度的采集，硬件設(shè)備的啟動(dòng)，電池組電量的計(jì)算。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)自檢流程圖見(jiàn)圖2。

系統(tǒng)啟動(dòng)以后將定期采集8個(gè)DS18B20溫度傳感器的溫度、2路鉑電阻溫度計(jì)的溫度。8個(gè)DS18B20溫度傳感器采集8個(gè)單體電池的溫度，2路鉑電阻溫度計(jì)采集電池組箱體的溫度。當(dāng)采集的溫度超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)系統(tǒng)報(bào)警并關(guān)閉充、放電電路，如果其中的溫度傳感器有損壞，系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)聲，只要有2路鉑電阻溫度計(jì)和1個(gè)DS18B20溫度計(jì)正常工作,系統(tǒng)將只是報(bào)警不關(guān)閉。系統(tǒng)溫度檢測(cè)流程圖見(jiàn)圖3[5-6]。

圖3 系統(tǒng)溫度檢測(cè)流程圖

圖4 系統(tǒng)電壓、電流采集功能流程圖

電池的電壓、電流的信息采集主要通過(guò)MAX17830芯片和ACS712芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPU將采集的信息匯總，評(píng)估出電池組的剩余電量并進(jìn)行顯示。當(dāng)電池組剩余電量過(guò)低時(shí)系統(tǒng)將關(guān)閉。系統(tǒng)電壓、電流采集功能流程圖如圖4所示。

液晶屏將重要的信息參數(shù)顯示出來(lái)供人員查看，當(dāng)在一定的時(shí)間內(nèi)如果液晶屏沒(méi)有觸控操作將關(guān)閉背光。工作人員也可以利用觸控功能根據(jù)系統(tǒng)提示設(shè)置一些系統(tǒng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。液晶顯示與人機(jī)交互功能流程圖如圖5。

圖5 液晶顯示與人機(jī)交互功能流程圖

2 系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)具體需求對(duì)電池組及其管理系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)，搭建了由電池管理系統(tǒng)、磷酸鐵鋰電池組和液晶顯示屏組成的模擬測(cè)試系統(tǒng)。

其中使用的單體電池為200 Ah的磷酸鐵鋰電池，基本的尺寸為110×60×190，額定電壓為3 V，電池組的總電壓為24 V，容量200 Ah。

嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是個(gè)不斷探索試驗(yàn)的過(guò)程，軟硬件的聯(lián)合運(yùn)作才能實(shí)現(xiàn)整體的功能。

硬件的測(cè)試主要通過(guò)3步完成：(1)電路圖設(shè)計(jì)的檢查，可以通過(guò)多人檢查的方式完成，能有效避免低級(jí)錯(cuò)誤的出現(xiàn)；(2)在電路焊接的過(guò)程中，在器件準(zhǔn)備、焊接過(guò)程等流程中嚴(yán)格管控，避免出現(xiàn)錯(cuò)用零件或者零件虛焊的情況，在實(shí)際調(diào)試中這部分的錯(cuò)誤往往經(jīng)常發(fā)生，往往會(huì)對(duì)系統(tǒng)后期測(cè)試造成很大麻煩，導(dǎo)致在問(wèn)題修復(fù)中走彎路；(3)在系統(tǒng)上電之前使用萬(wàn)用表對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，觀(guān)察是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)之初的設(shè)想，嚴(yán)禁盲目上電和冒險(xiǎn)蠻干，避免造成設(shè)備的損壞。

軟件的調(diào)試因搭建了模擬平臺(tái)，在修改和測(cè)試上帶來(lái)了便利，同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的錯(cuò)誤，通過(guò)軟件升級(jí)的方式進(jìn)行修復(fù)也是比較經(jīng)濟(jì)的途徑。在軟件調(diào)試中可分兩步進(jìn)行：(1)局部功能調(diào)試，將系統(tǒng)的各個(gè)功能分成模塊，分開(kāi)進(jìn)行測(cè)試，每個(gè)模塊功能實(shí)現(xiàn)后再進(jìn)行綜合測(cè)試；(2)將各個(gè)模塊的功能進(jìn)行集合，聯(lián)合調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)功能。系統(tǒng)人機(jī)顯示界面如圖6所示。

圖6 人機(jī)顯示界面

3 結(jié)論

本文結(jié)合磷酸鐵鋰電池方便、簡(jiǎn)潔、安全、高效的需求，從整體供電進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，電池管理系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，軟件采用RT-Theart嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，基于MDK-ARM Microcontroller Development 4.73集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，采用C語(yǔ)言及部分匯編語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。該系統(tǒng)可以輸出24 V/20 A直流電。通過(guò)搭建的模擬平臺(tái)對(duì)單體電池、電池組的電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)際跟蹤測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果分析可知，設(shè)計(jì)的磷酸鐵鋰電池組及其管理系統(tǒng)精度滿(mǎn)足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)和要求，實(shí)現(xiàn)了改善蓄電池組電源系統(tǒng)性能的目標(biāo)。

[1] 郭炳餛,徐徽,王先友,等.鋰離子電池[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2002.

[2] 趙健,楊維芝,趙佳明.鋰離子電池的應(yīng)用開(kāi)發(fā)[J].電池工業(yè),2000,5(1):31-36.

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[5] 陳誠(chéng),趙永瑞,任紀(jì)偉.一種實(shí)用動(dòng)力電池用大功率電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(19):35-36.

[6] 任紀(jì)偉,尤曉蕾,陳誠(chéng).電臺(tái)用磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2013,32(22): 26-28.

Software design of 24 V/20 A lithium iron phosphate battery management system

You Xiaolei1, Ren Jiwei2, Wang Chaoliang1

(1. Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China；2. China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Lithium iron phosphate battery is a new type of lithium ion battery with high capacity, high output voltage, good charge and discharge characteristics. But there are also problems such as consistency of battery pack and overcharge of battery, therefore the battery management system (BMS) can be used in practical in order to manage and protect the battery. In this paper a battery management system for lithium iron phosphate battery with 24 V/20 A output function is designed, the modular design concept is used. Using the MAX17830 hardware architecture to collect data of the battery pack and using RT-Theart embedded operating system to manage the task. The main content of this paper is the software design and system platform test of lithium iron phosphate battery management system.

lithium iron phosphate battery; software design of battery management system; RT-Theart embedded system

國(guó)家自然科學(xué)基金(61162018)； 航空科學(xué)基金(2015ZD55005)

TN98

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.006

尤曉蕾，任紀(jì)偉，王超梁.24 V/20 A磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：16-18.

2017-02-06)

尤曉蕾(1984-)，女，碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。