電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李亮

摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，尤其是科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電動(dòng)力通用飛機(jī)記載動(dòng)力的研究與與之前相比獲得了巨大的發(fā)展和進(jìn)步，并且由于其所使用的鋰電池控制電路結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，并質(zhì)量體積是比較大的，采集使用的精度是比較低的，并在使用的過(guò)程中電路本身的功耗是比較大的，由于這些問(wèn)題的存在，因此這就嚴(yán)重的限制了鋰電池在通用飛機(jī)上的應(yīng)用。正是由于這種情況的存在，因此筆者主要是對(duì)電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析研究，希望通過(guò)本文的闡述為鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些建議和借鑒，促進(jìn)我國(guó)這方面的研究和進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)；通用飛機(jī)；動(dòng)力；鋰電池；監(jiān)控；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；分析

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求越來(lái)越大，并在這個(gè)基礎(chǔ)上傳統(tǒng)的能源消耗嚴(yán)重，并在使用的過(guò)程中造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，例如是煤炭能源的使用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了較大的污染，因此在這個(gè)過(guò)程中能源的危機(jī)逐漸的出現(xiàn)。而且在現(xiàn)代社會(huì)，隨著人們生活水平的提高，對(duì)環(huán)境方面的重視也逐漸的提高，因此在生活中就需要使用一種新能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能源，例如是風(fēng)能源、天然氣能源以及太陽(yáng)能等在現(xiàn)代社會(huì)的應(yīng)用逐漸的增多，除斥之外，鋰電池作為能量密度高、使用壽命長(zhǎng)以及單節(jié)電池電壓高等各種各樣的優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展中逐漸的還曾為了市場(chǎng)主流電池產(chǎn)品，越來(lái)越受到社會(huì)的關(guān)注。尤其是在現(xiàn)代社會(huì)，隨著電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)飛機(jī)等在人們生活中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的高壓電池組作為代替燃料的綠色能源，在人們生活中和工作中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。

1 動(dòng)力鋰電池的特點(diǎn)。

在現(xiàn)代社會(huì)，動(dòng)力鋰電池的發(fā)展是十分迅猛的，并起在人們生活和工作中的應(yīng)用范圍越來(lái)越普遍。就目前來(lái)說(shuō)，動(dòng)力鋰電池主要是作為動(dòng)力能源應(yīng)用，平常是需要100只左右的電芯進(jìn)行串聯(lián)。但是如果我們?cè)诠ぷ鞯倪^(guò)程中使用傳統(tǒng)的電池工作狀態(tài)來(lái)采集芯片的話，這樣芯片的數(shù)量比較大，成本也會(huì)隨著增加。并且如果在電動(dòng)力通用飛機(jī)所需要的電池電壓較高，而且電流大，對(duì)采集精準(zhǔn)度的要求較高，在對(duì)加大的設(shè)計(jì)的難度。因此筆者就主要是針對(duì)存在的實(shí)際情況，在此基礎(chǔ)上對(duì)電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

2 對(duì)于硬件的設(shè)計(jì)分析。

2.1 硬件設(shè)計(jì)框圖與相關(guān)原理分析。

筆者在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要是以TI 公司生產(chǎn)的32 位定點(diǎn) DSP 芯片 TMS320F2812 來(lái)作為研究的主芯片，這主要是由于其公司生產(chǎn)的芯片在控制應(yīng)用的過(guò)程中具有高性能、而且功能也是比較多的，并且使用其的性價(jià)比也是比較高的，除此之外，由于其具有SPI、SCI、ADC等豐富的接口，因此使用TI 公司生產(chǎn)的32 位定點(diǎn) DSP 芯片 TMS320F2812芯片是可以完全滿足電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)要求。筆者在設(shè)計(jì)的過(guò)程中相關(guān)的方面主要是包括以下的幾個(gè)方面，分別是采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示模塊。對(duì)于采集模塊來(lái)說(shuō)，每個(gè)模塊式可以測(cè)量電池組的電壓、電流以及溫度值的，并在這個(gè)過(guò)程中還可以不斷的擴(kuò)展采集的模塊，甚至是可以將多個(gè)采集的模塊逐漸的擴(kuò)展為16個(gè)采集模塊，滿足系統(tǒng)的要求。并且在這個(gè)過(guò)程中控制均衡電路對(duì)電池組要進(jìn)行電阻均衡，主控芯片將讀取到相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)內(nèi)部的處理，并且在處理之后還需要通過(guò)Wi-Fi 對(duì)其進(jìn)行傳輸，將其發(fā)送到 LCD 進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。針對(duì)上述情況，筆者在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要是包括監(jiān)控單元和顯示單元這連個(gè)部分，對(duì)于監(jiān)控單元來(lái)說(shuō)其主要是采集電池的狀態(tài)信息，并且將其采集到的信息通過(guò)Wi-Fi發(fā)送模塊發(fā)送出去，而對(duì)于顯示單元來(lái)說(shuō)，其主要是將Wi-Fi 接收模塊接受到的相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)的顯示出來(lái)。

2.2 單體電壓與溫度采集電路分析。

筆者在設(shè)計(jì)電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的時(shí)候，對(duì)單體電壓和溫度采集電路分析設(shè)計(jì)的時(shí)候，主要是使用LTC6802-2 ，其是一個(gè)完整的電池測(cè)量，主要是包括一個(gè) 12 位ADC、一個(gè)精確的電壓基準(zhǔn)、一高壓輸入多路復(fù)用器和一個(gè)串行接口。我們使用LTC6802-2 對(duì)電池進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，其測(cè)量是可以12個(gè)串聯(lián)連接的獨(dú)立電池單元一起進(jìn)行測(cè)量。并且由于LTC6802-2 具有專(zhuān)有設(shè)計(jì)的能使多個(gè) LTC6802-2 能串聯(lián)的疊置，因此這個(gè)過(guò)程中我們是不需要使用光耦合器或者是隔離器，就可以對(duì)長(zhǎng)串串聯(lián)連接電池中的每一節(jié)電池進(jìn)行精確的電壓監(jiān)視。

2.3 電池組總電壓、電流采集電路分析。

筆者在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，TMS320F2812 共有 16 個(gè) 12 位 A/D 輸入通道，因此我們進(jìn)行單獨(dú)配置的時(shí)候是可以將其設(shè)置為兩個(gè)獨(dú)立的8通道，對(duì)于總電壓來(lái)說(shuō)不需要使用精度十分高的，但是在使用的過(guò)程中出現(xiàn)的誤差也不能太大。由于筆者所使用的TMS320F2812 的 ADC 模塊輸入電壓為0～3 V，因此在這個(gè)過(guò)程中就需要配置一個(gè)電阻來(lái)進(jìn)行分壓，這樣就使得采樣的通道不斷的減少，并且在這個(gè)過(guò)程中采樣的頻率也是比較高的。對(duì)于電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)的安全性來(lái)說(shuō)，電流的采樣精度對(duì)其有著重要的影響，正是由于這樣的因素，筆者設(shè)計(jì)的時(shí)候主要是使用霍爾型電流傳感器，由于其采樣的精度是比較高的，因此可以滿足系統(tǒng)的相關(guān)要求。除此之外，對(duì)電源進(jìn)行管理的系統(tǒng)中，由于電壓和電流的檢測(cè)容器是很容易收到電磁干擾的，而且模擬電路的抗干擾性是比較差的，因此這就需要我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中加入濾波器，將一些高頻的信號(hào)變化濾除，筆者在實(shí)際的過(guò)程中主要是使用 LM358 作為A/D 濾波調(diào)理電路。

2.4 SPI 總線電路分析。

由于在電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，每個(gè)監(jiān)控模塊的飛機(jī)動(dòng)力鋰電池的電位是不相同的，因此這就需要我們使用隔離器在數(shù)據(jù)傳輸線上進(jìn)行電氣隔離，LTC6802-2 串口通信頻率為 1MHz，筆者在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要是使用 ADUM1411作為隔離器，由于它的頻率范圍主要是在1～10 MHz之間，因此可以滿足電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

3 軟件設(shè)計(jì)分析。

筆者對(duì)電動(dòng)通用飛機(jī)動(dòng)力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，除了進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)外，還進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要是在主控芯片與 LTC6802-2 之間進(jìn)行了 SPI 通信，這是軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中作為關(guān)鍵和重要一個(gè)步驟，這主要是由于只有這樣才能夠?qū)νㄐ诺目煽啃赃M(jìn)行較好的保障。并且對(duì)于主控芯片來(lái)說(shuō)，這樣才能夠控制 LTC6802-2 進(jìn)行電芯電壓、溫度采集以及控制均衡電路的開(kāi)啟和關(guān)閉。并且由于在使用的過(guò)程中，LTC6802-2 是支持可尋址，因此在使用的過(guò)程中就大大簡(jiǎn)化了對(duì)其操作的相關(guān)代碼，僅僅是需要通過(guò) SPI 總線發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入目標(biāo)地址就可以了。之后對(duì)需要對(duì)各個(gè)采集的單元發(fā)送相關(guān)采集的命令，并需要執(zhí)行相關(guān)采集的任務(wù)，并且在完成采集任務(wù)之后需要LTC6802-2 將各個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片，這樣經(jīng)過(guò)其處理之后的數(shù)據(jù)就可以直接在LCD 進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)顯示了。

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