戴國(guó)群， 謝建鴻

(北京神州遠(yuǎn)望科技有限公司，北京100029)

基于STM32F205芯片的耐壓型電池管理系統(tǒng)的研制

戴國(guó)群， 謝建鴻

(北京神州遠(yuǎn)望科技有限公司，北京100029)

介紹了一款基于STM32F205芯片設(shè)計(jì)，應(yīng)用于深海載人潛航器充油鋰電池組的電池管理系統(tǒng)。詳述了該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及元器件選型要求。配備該系統(tǒng)的DC110 V/500 Ah磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行了30次陸地常壓試驗(yàn)和5次78 MPa的壓力筒試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)與通信功能正常，檢測(cè)精度與常壓環(huán)境無異，具有較好的性能表現(xiàn)。為后續(xù)在潛航器上開展工程化應(yīng)用提供了參考。

鋰電池；電池管理系統(tǒng)；充油；潛航器；耐壓型電池組；深海

隨著各國(guó)對(duì)海洋資源、海洋權(quán)益的日益重視和對(duì)潛航器續(xù)航里程的不懈追求，具有高比量、長(zhǎng)循環(huán)壽命性能優(yōu)勢(shì)的鋰電池，不僅在消費(fèi)類電子產(chǎn)品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，還被逐漸拓展到了海洋領(lǐng)域[1]。由于潛航器對(duì)電壓等級(jí)與額定能量要求較高，電池組需由大量的單體鋰電池串聯(lián)和并聯(lián)組合而成。然而，由于鋰電池抗濫用性能較差，特別是在壓力環(huán)境下單體電池更易產(chǎn)生內(nèi)部短路與局部過熱等問題，給電池組帶來安全隱患。因此，需要電池管理系統(tǒng)對(duì)單體電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理[2-3]，提前預(yù)警與及時(shí)保護(hù)，確保在使用過程中的安全性與可靠性。同時(shí)，由于電池管理系統(tǒng)本身同樣處于壓力環(huán)境下，容易因元器件壓壞、焊點(diǎn)脫落等而導(dǎo)致電路失效。因此，研制抗壓性能優(yōu)異、功能強(qiáng)大與高穩(wěn)定性的電池管理系統(tǒng)十分必要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以載人潛水器用充油磷酸鐵鋰電池組DC110 V/500 Ah(36串)為管理對(duì)象，通過硬件與軟件設(shè)計(jì)，研制在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和78 MPa超高壓的雙模充油環(huán)境條件下，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組容量，過充、過放、過溫、絕緣電阻、膨脹、短路、故障定位與報(bào)警、通訊、保護(hù)控制、數(shù)據(jù)記錄、人機(jī)交互界面的電池管理系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))。同時(shí)，為提高系統(tǒng)的可靠度，在電池組中采取配置雙系統(tǒng)方案，實(shí)行雙路同時(shí)采集，互為備用。此外，為提高電池組的占空比，系統(tǒng)主從控設(shè)成一體式結(jié)構(gòu)。

2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)包括意法半導(dǎo)體增強(qiáng)型STM32F205R微處理器及其外圍電路、RS485/USB接口、LCD液晶觸摸屏和報(bào)警裝置與保護(hù)電路等。增強(qiáng)型STM32F205R微處理器是基于ARM 32位ContexTM-M3內(nèi)核的高速處理器，可實(shí)時(shí)使程序在Flash中以最高120 MHz頻率運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)零等待的執(zhí)行能力，內(nèi)置存儲(chǔ)器保護(hù)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)150DMIPS的性能，此外還包括1 M字節(jié)閃存，2個(gè)CAN通信、17個(gè)定時(shí)器、3個(gè)ADC、15個(gè)通信接口。系統(tǒng)電路原理方框圖見圖1。

(1)供電單元

系統(tǒng)DC24 V輸入，經(jīng)過濾波降壓成DC5 V/3 A系統(tǒng)，再經(jīng)過分別隔離降壓供給各種電路，經(jīng)兩級(jí)降壓以減少電源對(duì)內(nèi)部電路干擾。

系統(tǒng)供電共6組：CPU電源(DC3.3 V非隔離)，通訊電源(DC5 V隔離)，電壓采集電源(DC5 V隔離)，溫度采集電源(5 V隔離)，鼓漲檢測(cè)采集電源(DC5 V隔離)，電流采集電源(±DC15 V隔離)。

所有隔離電源均采用TI公司DCP01系列隔離模塊。

(2)電壓采集單元

LTC6803-3是凌特公司推出的一款完整的電池監(jiān)視芯片，包含一個(gè)內(nèi)置12位ADC，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)串行接口。每個(gè)LTC6803可同時(shí)測(cè)量多達(dá)12節(jié)串聯(lián)連接電池電壓信號(hào)，電壓檢測(cè)范圍300 mV～5 V，測(cè)量誤差低于0.25%。本文采用3片LTC6803-3級(jí)聯(lián)，組成36路電壓采集通道，與CPU之間經(jīng)過SPI隔離芯片連接。電壓采集電路圖見圖2。

圖1 系統(tǒng)電路原理方框圖

圖5 絕緣檢測(cè)電路圖

圖2 電壓采集電路圖

(3)電流采集單元

電流采集選用分流器，優(yōu)點(diǎn)是精度高，全金屬材質(zhì)，耐高壓與油環(huán)境。

(4)溫度采集單元

溫度檢測(cè)采用NTC薄膜熱敏電阻，測(cè)溫范圍－30～125℃，溫度檢測(cè)電路與電池檢測(cè)電路隔離，防止碰觸電池電極時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。電池組設(shè)置3路CD4067B電子開關(guān)進(jìn)行36點(diǎn)溫度檢測(cè)，通過CD4067B電子開關(guān)將NTC的電壓信號(hào)傳輸?shù)絊TM32F205自帶的ADC端口，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，計(jì)算出熱敏電阻值，根據(jù)熱敏電阻值與溫度的關(guān)系計(jì)算出溫度值。3路 CD4067B電子開關(guān)通道的開啟，由STM32F205控制。CD4067B電子開關(guān)可同時(shí)控制16路數(shù)據(jù)切換。溫度采集電路圖見圖3。

圖3 溫度采集電路圖

(5)鼓漲采集單元

當(dāng)單體電池內(nèi)部有毛刺和異物顆粒存在時(shí)，在巨大的外壓作用下，容易刺穿隔膜而形成內(nèi)部短路，引起電池氣脹和急驟溫升發(fā)生，如未能及時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，電池溫度會(huì)不可逆地繼續(xù)升高，最終導(dǎo)致“熱失控”發(fā)生，使電池組發(fā)生燃燒和失電危險(xiǎn)，危及潛航員的生命安全。

本文設(shè)計(jì)的電池鼓脹檢測(cè)裝置[4]如圖4所示，電池鼓脹檢測(cè)片設(shè)于單體電池的表面，當(dāng)電池鼓脹到一定程度時(shí)，相鄰兩鼓脹感應(yīng)片將觸碰在一起形成通路，由MC33993芯片組成的檢測(cè)電路將其轉(zhuǎn)變?yōu)殚_關(guān)量信號(hào)，送往STM32F20 5 R微處理器處理，通過顯示屏予以報(bào)警提示。鼓漲檢測(cè)電路與電池檢測(cè)電路需進(jìn)行隔離，以防止碰觸電池電極時(shí)發(fā)生危險(xiǎn)。

圖4 鼓脹檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

(6)絕緣檢測(cè)

絕緣檢測(cè)采用有源檢測(cè)方案，如圖5所示，STM32F205R微處理器通過隔離開關(guān)，與電池正極、電阻與電池殼體連接，測(cè)量正極絕緣電阻；然后再通過隔離開關(guān)，與電池負(fù)極、電阻與電池殼體連接，測(cè)量負(fù)極絕緣電阻。

3 軟件設(shè)計(jì)

(1)采集功能

系統(tǒng)共采集：36節(jié)電池電壓、36點(diǎn)溫度及36點(diǎn)電池鼓脹開關(guān)量、1路電流、1路絕緣電阻。

(2)通訊功能

系統(tǒng)與充電機(jī)通訊和總控制器采用RS485物理接口MODBUS-RTU通訊協(xié)議。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包含：?jiǎn)误w電壓、總電壓、單體溫度、單體鼓漲、電流、充放電狀態(tài)報(bào)警信息、SOC剩余電量。

存儲(chǔ)策略：當(dāng)檢測(cè)到電池處于充電或放電狀態(tài)時(shí)每隔1 min存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到電池靜置時(shí)，每隔10 min存儲(chǔ)一組數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)滿后將覆蓋舊信息。數(shù)據(jù)可通過USB接口在上位機(jī)讀取。

(4)控制與保護(hù)策略

本文采用安時(shí)(Ah)積分法對(duì)電池組的荷電狀態(tài)進(jìn)行估算。通過對(duì)電池組采樣數(shù)據(jù)分析，建立數(shù)學(xué)模型；根據(jù)分析結(jié)果，確定電池組的荷電狀態(tài)和生成相應(yīng)信息。

在充電過程中，系統(tǒng)將采集到的電壓、鼓脹、溫度、電流及總回路電壓、總電流的數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)，通過RS485接口上報(bào)給充電機(jī)，由充電機(jī)自身決定充電管理與處置，管理系統(tǒng)只對(duì)嚴(yán)重故障做出報(bào)警，管理系統(tǒng)無執(zhí)行權(quán)。

在放電過程中，系統(tǒng)除采集功能外，還需要判斷電池狀態(tài)，包括欠壓，過流，超溫等，生成相應(yīng)報(bào)警信息通知給總控制器，管理系統(tǒng)無執(zhí)行權(quán)。系統(tǒng)工作原理方框圖和軟件控制策略見圖6、圖7。

圖7 系統(tǒng)軟件控制流程圖

(5)參數(shù)可修改

所有可調(diào)整的參數(shù)均可通過顯示屏進(jìn)行修改。

(6)顯示

顯示信息包括：總電壓、單體電壓、單體溫度、鼓脹狀態(tài)、絕緣狀態(tài)、充放電狀態(tài)、各種報(bào)警狀態(tài)與SOC容量。

4 元器件選型

由于系統(tǒng)工作在充油(液壓油或硅油)壓力環(huán)境中，因此，不可選用內(nèi)部非實(shí)心元器件(如：電解電容、DC/DC密封模塊等)，否則，元器件容易壓裂而失效。同時(shí)，所有元器件和焊接應(yīng)為無鉛元件，以防止補(bǔ)償油的加速老化。

5 結(jié)果與討論

第一次不加電耐壓試驗(yàn)：共投入10套系統(tǒng)進(jìn)行78 MPa的加壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了檢測(cè)，其中3套合格，7套不良。對(duì)不良樣品進(jìn)行了解剖與原因分析，結(jié)論為電路板元器件裂紋、焊點(diǎn)脫落和虛焊導(dǎo)致。

第二次不加電耐壓試驗(yàn)：對(duì)電路板進(jìn)行了焊接工藝的優(yōu)化和元器件的篩選工作，重新制作了10套系統(tǒng)再度進(jìn)行78 MPa不加電耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行了性能檢測(cè)，除1套樣品有異常外，其余性能均良好。將上述沒有問題的樣品再度進(jìn)行第三次78 MPa不加電耐壓試驗(yàn)。選取第三次試驗(yàn)后的2套合格系統(tǒng)樣機(jī)，將其組裝到試驗(yàn)電池組內(nèi)，首先進(jìn)行30次的陸地充放電試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中未見異常情況出現(xiàn)。隨后，將上述電池組充滿電吊入壓力筒，進(jìn)行了5次78 MPa的耐壓試驗(yàn)，加壓速度為7.8 MPa/10 min，當(dāng)加壓至45 MPa時(shí)，電池組開始以0.2C恒流放電。試驗(yàn)過程中系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、監(jiān)測(cè)與通信功能正常、數(shù)據(jù)傳輸正常、檢測(cè)精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)見圖8，電池組進(jìn)入壓力筒試驗(yàn)前狀態(tài)見圖9，系統(tǒng)操作界面見圖10～圖11。

圖8 電池管理系統(tǒng)安裝結(jié)構(gòu)

圖9 電池組進(jìn)入壓力筒試驗(yàn)前狀態(tài)

圖10 電池管理系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

圖11 電池管理系統(tǒng)信息顯示界面

6 結(jié)論

基于STM32F205R芯片設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)，通過合理的電路設(shè)計(jì)、元器件選型和焊接工藝控制等，實(shí)現(xiàn)了在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和78 MPa超高壓的雙模充油環(huán)境條件下對(duì)電池組的有效監(jiān)測(cè)與控制能力，已基本具備在深海載人潛航器充油鋰電池組上開展工程化應(yīng)用的技術(shù)條件。

[1]戴國(guó)群，陳性保，胡晨.鋰離子電池在深潛器上的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].電源技術(shù)，2015，39(8)：1768-1772.

[2]LU L，HAN X，LI J，et al.A review on the key issues for lithiumion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Sources，2013，226：272-288.

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圖6 三維GaInP薄膜KMC生長(zhǎng)可視化仿真算法

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

以自強(qiáng)3000高性能集群為基礎(chǔ)，在其上選擇一個(gè)800× 800×400的晶格空間對(duì)本文的并行算法和串行算法生長(zhǎng)GaInP薄膜分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)參數(shù)相同時(shí)二者所得結(jié)果相同。雖然在KMC生長(zhǎng)算法中需要原子進(jìn)行較多的邊界查詢，但這樣可使通信量和通信次數(shù)大大降低，從而使該算法的效率得到很大的提升。圖7所示為當(dāng)襯底溫度為997 K、沉積時(shí)間為5 min時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬兩種情況下所得GaInP薄膜的形貌圖。圖8所示為當(dāng)襯底溫度為997 K，實(shí)驗(yàn)和模擬兩種情況下所得單位面積上GaInP薄膜島的平均原子數(shù)的變化情況。圖9所示為當(dāng)襯底溫度變化時(shí)，實(shí)驗(yàn)和模擬兩種情況下所得島的平均原子數(shù)的變化情況。綜上所述，模擬所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，這也說明了本文所提出的模擬方法可真實(shí)地反映太陽電池薄膜的生長(zhǎng)過程。

圖7 GaInP薄膜形貌實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果的比較

圖8 島的平均原子數(shù)與時(shí)間的變化情況

圖9 島的平均原子數(shù)與溫度的變化情況

3 結(jié)論

主要采用并行計(jì)算的方法對(duì)太陽電池薄膜的生長(zhǎng)過程進(jìn)行了模擬計(jì)算，同時(shí)提出了GaInP薄膜KMC生長(zhǎng)的算法。通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分布方式和優(yōu)化后的通信策略，合理地對(duì)各進(jìn)程的負(fù)載進(jìn)行了平衡，同時(shí)減少了通信次數(shù)和通信量。使用本文的方法可使模擬時(shí)間大大降低，提高模擬仿真的效率，同時(shí)有效地解決了計(jì)算機(jī)單機(jī)能力不足的問題。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析可知，模擬所得結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致，這對(duì)今后通過MOCVD生長(zhǎng)太陽電池薄膜材料具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

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Development of pressure-tolerant battery management system based on STM32F205 chip

One kind of battery management system(BMS)based on the design of STM32F205 chip for oil-filling lithium-ion battery pack for deep-sea manned underwater vehicle was introduced.The hardware and software design of the system and the selection of components were described in detail.The DC110V/500Ah LiFePO4lithium-ion battery pack with the battery management system was tested with thirty times of normal pressure and five times of 78MPa pressure barrel.Results show that the system is with good reliability and stability,the monitoring functions and communication functions are with better performance,and detection accuracy is the same as in the atmospheric environment.A reference for the follow-up engineering application of the underwater vehicles was provided.

lithium-ion battery；battery management system；oil-filling;underwater vehicle；pressure-tolerant lithium-ion battery pack；deep-sea

TM912

A

1002-087X(2016)12-2428-04

2016-05-21

戴國(guó)群(1966—)，男，湖南省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闈摵狡鲃?dòng)力電池應(yīng)用技術(shù)。