基于CAN總線的全海深鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 圍，楊 創(chuàng)，趙 勝

基于CAN總線的全海深鋰離子電池組監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

李 圍，楊 創(chuàng)，趙 勝

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文針對全海深鋰電池組監(jiān)測的問題，設(shè)計了基于CAN總線分布式監(jiān)測系統(tǒng)，利用LTC6811采集電池電壓、利用ARM自帶AD采集溫度信號、補(bǔ)償器高度、電流、漏水等其它信號，實現(xiàn)了對電池組在全海深壓力條件下的狀態(tài)監(jiān)控和安全管理。針對全海深的壓力條件，對檢測系統(tǒng)進(jìn)行了壓力循環(huán)試驗，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)的耐壓性能良好。

全海深 監(jiān)測系統(tǒng) LTC6811 CAN總線

0 引言

目前，深海潛水器發(fā)展迅速，各國都在積極開展各種深海潛水器研究[1]，對電池的能量密度要求也越來越高。鋰離子電池相對于鉛酸電池等其它體系的電池系統(tǒng)能量密度較高，被廣泛用于水下航行器[2]。水下航行器電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于電池安全性和續(xù)航力都有很高的要求，必須配套成熟可靠的電池管理系統(tǒng)。電池管理系統(tǒng)是動力鋰離子電池的一個關(guān)鍵組成部分。為保證電池安全可靠地運(yùn)行，電池管理系統(tǒng)必須對電池組的狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的監(jiān)測。針對全海深高能量密度鋰電池組對于耐壓性的特殊要求，研究耐海水11 000 m深度壓力的鋰電池組檢測技術(shù)，可以為全海深鋰離子電池系統(tǒng)提供可靠的管理系統(tǒng)，使我國潛水器的工作深度覆蓋全海深范圍。

1 全海深高能量密度鋰電池組管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

全海深高能量密度鋰電池組由電池組單元、管理系統(tǒng)、密封箱體、絕緣油和補(bǔ)償器組成。與常見的鋰電池組的不同在于其在工作時需要承受不同的外部壓力，電池管理系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)更多。同時由于體積和重量的限制，電池管理系統(tǒng)直接承壓，因此其也需要滿足耐壓要求。針對其獨特的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，主要需要對電池單體電壓、單體溫度、單體形變、電池組充放電電流、皮囊高度、漏水等狀態(tài)進(jìn)行檢測，并對電池組的充放電進(jìn)行控制。

電池組由多個電池模塊串并聯(lián)組成，電池模塊由多個電池單元串聯(lián)組成。針對不同的潛水器的能量需要，使用不同的電池模塊進(jìn)行串并聯(lián)，這使得產(chǎn)品更加標(biāo)準(zhǔn)化，減少設(shè)計工作量提升了市場相應(yīng)速度。同樣的，電池管理系統(tǒng)也要根據(jù)電池組的成組方式特點，作出針對性的設(shè)計。根據(jù)電池組成組方式，系統(tǒng)采用CAN總線[3]分布式控制方案，主要由電池模塊信息檢測單元和管理控制單元組成。電池模塊信息檢測單元（CSC電路板）監(jiān)測電池模塊中的電池單元狀態(tài)，如電芯電壓、溫度、形變等信息；管理控制單元(BCU 電路板) 監(jiān)測電池組狀態(tài)和電池箱狀態(tài)，如電池箱漏水、皮囊高度、電池組電流，同時通過CAN總線匯集各電池模塊信息檢測單元（CSC電路板）采集到的電池單元狀態(tài)信息，對電池組的狀態(tài)進(jìn)行評估和控制，并通過CAN總線把電池狀態(tài)信息上傳至上位機(jī)。根據(jù)上述要求，電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 電池模塊檢測方案設(shè)計

通過對不同電池模塊的監(jiān)測需求進(jìn)行分析，檢測單元需要采集單體電池電壓、溫度和形變，各檢測單元再將采集到的數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給主控單元。信息檢測單元采用模塊化設(shè)計，分為主控模塊（MCU板）、單體電壓檢測模塊（CVI板）和形變和溫度檢測模塊（ADI）3個部分。針對不同檢測要求可以選擇合適的模塊進(jìn)行組合，優(yōu)化設(shè)計流程，提升了響應(yīng)速度，同時提高系統(tǒng)的可靠性。其設(shè)計方案框圖如圖2所示。

圖2 電池模塊檢測單元設(shè)計方案框圖

2.1 主控模塊設(shè)計

主控模塊是電池模塊信息檢測單元的控制中心，采用ARM架構(gòu)的LPC2378作為主控芯片，LPC2378具有2路CAN通訊接口、2路485通訊接口、2路SPI通訊接口通過，同時具有128個GPIO口，能夠滿足檢測單元的通訊和檢測需要。主控模塊通過CAN總線與管理控制單元進(jìn)行通訊，通過隔離SPI通訊與單體電壓檢測模塊（CVI板）通訊獲得電池單體電壓，形變和溫度則通過GPIO口進(jìn)行檢測。

2.2 單體電池電壓檢測設(shè)計

單體電池電壓的檢測選擇采用Linear最新一代多節(jié)電池監(jiān)視器LTC6811進(jìn)行單體電壓的測量[4]。

一片電池檢測專用芯片LTC6811-2最多可以檢測12節(jié)單體電池，最少可以檢測6節(jié)單體電池。多個芯片級聯(lián)可測量更多的電池，內(nèi)置3階增量累加ADC，最大測量電壓誤差1.2 mV，290 μs時間內(nèi)可完成12節(jié)單電池的測量，該芯片具有測量更準(zhǔn)確、測量速度更快和電路設(shè)計更簡單等優(yōu)點。當(dāng)電池模塊超過12串時，可以將幾個芯片通過菊花鏈的形式連接組成一個檢測單元，并且菊花鏈連接時只需要2根通訊線，極大簡化了電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。同時，根據(jù)實際需要，還可以將多個檢測單元通過CAN總線組成一個大的檢測系統(tǒng)。

2.3 溫度檢測方案

常用的溫度傳感器的種類有熱電偶、熱電阻等，熱電偶常被用來測量高溫，但當(dāng)測量中低溫度時，由于輸出的電勢差很小，對抗干擾措施要求較髙，否則精度較差，另外，在測量中低溫時，由于冷端溫度的變化和環(huán)境溫度的變化所引起的相對誤差很明顯，溫度不易得到補(bǔ)償。而熱電阻就偏向于測量中低溫度，而且精度較高。

經(jīng)過壓力循環(huán)試驗，熱電阻雖然在壓力條件下會發(fā)生漂移，但偏移值在可接受范圍之內(nèi)。在實際檢測電路中，熱電阻通常要匹配相應(yīng)的電阻，電阻在深海壓力條件下也會漂移，且熱電阻和電阻漂移方向一致。因此，選擇使用熱電阻進(jìn)行溫度信號的采集。

2.4 形變檢測方案

當(dāng)電池發(fā)生故障時通常會出現(xiàn)鼓脹，因此電池形變量是評估電池狀態(tài)的一個重要指標(biāo)。經(jīng)過調(diào)研，目前在市場上形變檢測的傳感器容易誤報警，不能滿足檢測系統(tǒng)要求。針對全海深壓力條件的特殊條件和鋰電池組的成組方式，設(shè)計了如圖3所示一種形變檢測應(yīng)變片，根據(jù)不同電池尺寸進(jìn)行定制。根據(jù)電池故障鼓脹時的形變數(shù)據(jù)，對應(yīng)變片進(jìn)行了拉伸試驗。試驗結(jié)果表明，該應(yīng)變片在深海壓力條件下能夠?qū)崿F(xiàn)對電池形變的檢測。

圖3 形變檢測應(yīng)變片

3 管理控制單元設(shè)計

管理控制單元作為電池組管理系統(tǒng)的中樞系統(tǒng)，具備電池組的保護(hù)功能、管理功能與評估診斷功能等功能，同時也負(fù)責(zé)進(jìn)行電池組充放電電流和補(bǔ)償皮囊高度信息采集。管理控制單元同樣采用ARM架構(gòu)的LPC2378作為主控芯片，圖4為管理控制單元硬件設(shè)計方案框圖。

圖4 管理控制單元硬件設(shè)計框圖

3.1 電流檢測方案

鋰電池組充放電控制的重要參數(shù)，同時充放電電流也是計算電池剩余容量的基礎(chǔ)。常見的電流檢測方法主要有分流器[5]和霍爾傳感器兩種方法，分流器體積較大，檢測電路也更復(fù)雜。霍爾電流傳感器不受主回路的影響，電磁兼容性比分流器采樣更好。經(jīng)過市場調(diào)研和耐壓試驗，市場上已有的標(biāo)準(zhǔn)電流傳感器在生產(chǎn)工藝上普遍采用灌膠工藝，在全海深壓力條件下不能正常工作。針對全海深的實際工作環(huán)境，結(jié)合在元器件壓力循環(huán)試驗中的經(jīng)驗，設(shè)計了2種型號的電流傳感器，即CL100P和CL200P。CL100P和CL200P的電流檢測范圍分別為±100 A和±200 A，對應(yīng)輸出均為±100 mA。經(jīng)過壓力循環(huán)試驗，這兩種型號的電流傳感器在全海深壓力條件下與常壓下電流誤差小于3%，經(jīng)過軟件校正可以滿足設(shè)計要求，其實物如圖5。

圖5 電流傳感器CL100P和CL200P

3.2 補(bǔ)償皮囊高度檢測方案

在進(jìn)行高度測量時常用的有紅外位移傳感器和拉線式位置傳感器兩種方式，在全海深壓力條件下，經(jīng)過壓力循環(huán)試驗，紅外傳感器不能正常工作。拉線位移傳感器由于電阻在壓力條件下只是發(fā)生漂移，相對比例基本不變，雖然也會發(fā)生漂移但誤差在可允許的范圍之內(nèi)。

經(jīng)過實際調(diào)研，選擇了濟(jì)南星峰的LS-XF01和美國Firstmark公司的Firstmarkcontrols 160-1085Ds進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明LS-XF01和Firstmarkcontrols 160-1085Ds在全海深壓力條件下都能正常工作?？紤]成本因素，在檢測系統(tǒng)設(shè)計時選擇LS-XF01來測量補(bǔ)償皮囊位置。

3.3 漏水檢測方案

電池組箱體和補(bǔ)償器保證了電池組的密封性，但若在壓力條件下發(fā)生破裂滲水的情況，將會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。針對這種情況，本文設(shè)計了一種漏水探測器用來監(jiān)測電池組滲水進(jìn)行監(jiān)測，具體見圖6。該漏水探測器輸出信號為電阻信號，處于絕緣環(huán)境時電阻約為2 MΩ，當(dāng)有水珠附著時電阻低于50 kΩ，同時具有體積小，靈敏的特點。由于電池組管理系統(tǒng)放置在電池頂部，漏水探測器布置在電池組頂部和底部，保障發(fā)生輕微滲漏時電池管理系統(tǒng)能夠監(jiān)測到。同時，漏水探測器信號還需直接通過硬線通過連接器上傳給上位機(jī)，確保在劇烈漏水發(fā)生管理系統(tǒng)不能正常工作時上位機(jī)也能夠監(jiān)測到漏水。

圖6 漏水探測器

4 檢測系統(tǒng)壓力試驗

4.1 試驗方法

為了驗證檢測系統(tǒng)的功能和耐壓性能，并對檢測系統(tǒng)的主要部分信息檢測單元、管理控制單元、電流檢測單元進(jìn)行了帶電壓力循環(huán)測試試驗。

壓力測試分為靜態(tài)壓力測試和動態(tài)壓力測試，靜態(tài)壓力測試流程為外觀檢查→初始參數(shù)檢測→壓力循環(huán)測試→外觀檢查→最終參數(shù)檢測，動態(tài)壓力測試流程為外觀檢查→初始參數(shù)檢測→壓力循環(huán)測試（中間參數(shù)檢測）→外觀檢查→最終參數(shù)檢測。檢測系統(tǒng)的初始初始檢測和最終參數(shù)檢測，直接在常溫常壓下測量。

壓力循環(huán)測試在壓力罐內(nèi)進(jìn)行，壓力循環(huán)測試過程為加壓（15 MPa/10min）、保壓（115 MPa,10h）、泄壓（15 MPa/10min），壓力測試循環(huán)20次。壓力循環(huán)測試過程為：

a) 初始壓力0 MPa；

b) 按3 MPa/min加壓速度加壓至115 MPa；

c) 115 MPa壓力保壓5 min；

d) 按3 MPa/min加壓速度加壓至127 MPa；

e) 127 MPa壓力保壓5 min；

f) 按5 MPa/min泄壓速度泄壓至0 MPa；

g) 0 MPa保壓5 min；

h) 重復(fù)a) 至g)步驟，循環(huán)20次。

4.2 試驗結(jié)果

經(jīng)過循環(huán)壓力測試和篩選，檢測系統(tǒng)各部分在加壓前、加壓時和加壓后都工作正常，且在循環(huán)加壓中性能保持不變。試驗結(jié)果表明檢測系統(tǒng)耐壓性能良好，能滿足深海壓力工作條件。

5 結(jié)束語

本文通過對全海深高能量密度鋰電池組工作環(huán)境和電池單體本身工作特性的分析，確定了確保電池安全運(yùn)行所需監(jiān)測的參數(shù)。針對全海深壓力條件，設(shè)計了各參數(shù)的檢測方案。考慮到產(chǎn)品的系列化和模塊化，采用CAN總線分布式控制方案，完成了系統(tǒng)總體設(shè)計方案。按照系統(tǒng)總體方案設(shè)計了信息檢測單元和管理控制單元，并開展了壓力循環(huán)試驗，對系統(tǒng)的功能和耐壓性進(jìn)行了驗證。試驗結(jié)果表明，設(shè)計結(jié)果滿足系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

[1] 朱大奇, 胡震. 深海潛水器研究現(xiàn)狀與展望[J]. 安徽師范大學(xué)(自然科學(xué)版), 2018, 41(03): 205-216.

[2] 杜志元, 楊磊, 陳云賽, 等. 我國與美國潛水器的發(fā)展和對比[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2019(10): 55-60.

[3] 郝剛, 金濤. 基于CAN總線的船用動力鋰電池控制系統(tǒng)設(shè)計[J]. 重慶交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2020，39(04): 123-128.

[4] 史志恒. 基于LTC6811的燃料電池檢測系統(tǒng)設(shè)計[D]. 大連交通大學(xué), 2018.

[5] 戴國群, 謝建鴻. 基于STM32F205芯片的耐壓型電池管理系統(tǒng)的研制[J]. 電源技術(shù), 2016，40(12): 2428-2431.

Design of deep sea battery pack monitoring system based on CAN bus

Li Wei，Yang Chuang，Zhao Sheng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2022）10-0080-04

2021-09-28

李圍（1988-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設(shè)計開發(fā)。E-mail: liwei_0911@126.com