李松++李碩++孫彥景

摘 要：文中采用嵌入式技術(shù)設(shè)計了一種鋰電池管理系統(tǒng)對煤礦井下鋰電池組進行監(jiān)控與管理，具體包括電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計、嵌入式軟件設(shè)計和上位機軟件設(shè)計。本系統(tǒng)通過監(jiān)視電池組的熱、電等多種參數(shù)來實現(xiàn)對電池組的充放電管理與均衡保護，并通過按時計量法估算電池荷電狀態(tài)，從而最大程度保護電池組，增加電池的使用時間，延長循環(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：TP39；TN85 文獻標識碼：A 文章編號：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，綠色無污染等顯著特點，使得鋰電池在各個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1]。在煤礦行業(yè)，由于井下條件惡劣，停電情況時有發(fā)生，為保障井下照明、監(jiān)控等系統(tǒng)的正常運行，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，但組成電池組容量會快速衰減，另外由于鋰電池自身的化學性質(zhì)比較復雜，過充過放對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產(chǎn)生高溫，產(chǎn)生不安全因素，在使用時需要進行均衡管理。因此，本文研究設(shè)計了一種鋰電池管理系統(tǒng)（Battery Management System， BMS）對煤礦井下的鋰電池組進行監(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)來實現(xiàn)對電池組的充放電管理與均衡保護，從而最大程度保護電池組、增加使用時間并延長循環(huán)壽命。

1 總體設(shè)計

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

本系統(tǒng)設(shè)計了電壓采集模塊、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，以反映電池組的運行狀態(tài)。另外本系統(tǒng)設(shè)計保護電路、報警電路以及均衡電路，當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，保護電路通過控制繼電器實現(xiàn)充放電電路的斷開與閉合，完成對系統(tǒng)的保護，此時報警電路發(fā)出報警，提示系統(tǒng)出現(xiàn)異常需要處理或修復。而均衡電路則用于完成對電池組內(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

本電池管理系統(tǒng)為礦用鋰電池電源設(shè)計，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)當有采集、保護、均衡和顯示與報警等功能。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)計簡單，成本較低，可以對所需電池狀態(tài)信息進行實時采集顯示，可數(shù)字化控制。

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足礦用鋰電池電源管理所需功能，系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括微控制器、電流采集模塊、溫度采集模塊、電壓采集模塊、均衡電路、異常保護與報警電路、顯示電路。此外，為實現(xiàn)礦用電源設(shè)備的遠程監(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)保護和報警等功能，是整個系統(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)各個單體電池的運行狀態(tài)；

（5）保護電路用于控制繼電器完成對系統(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；

（6）報警電路用于對系統(tǒng)工作過程中出現(xiàn)過壓、過流、過溫等異常狀態(tài)時進行報警；

（7）通信電路用于完成系統(tǒng)與監(jiān)控管理上位機、充電機或其它外圍設(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)制成的一種磁場傳感器，用它采集電流的優(yōu)點是精度高，電路設(shè)計簡單?；魻栃?yīng)是指當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體垂直于磁場和電流方向的兩個端面之間會出現(xiàn)電勢差。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)換公式計算最終電流值。

溫度對礦用鋰電池的工作狀態(tài)影響很大，若溫度不合適，不僅會導致電池的充放電量減少，而且在溫度過高的環(huán)境下可能會導致鋰電池爆炸，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)部進行地址解碼等優(yōu)點，可以控制16路模擬信號的切換。

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，進而通過軟件計算出相應(yīng)的電阻值，再通過NTC電阻阻值和溫度的對應(yīng)關(guān)系計算出溫度值。每路溫度信號輸入端都增加一個電解電容，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，電壓信號的準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12位的A/D轉(zhuǎn)換器、一個精確的電壓基準、一個高壓輸入多路復用器和一個1 MHz的SPI串行接口。單個LTC6803芯片能夠測量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對均衡電路進行控制。LTC6803芯片本身具有電池均衡電路，但其均衡電阻在芯片內(nèi)部長時間均衡會造成芯片發(fā)熱，嚴重時可能燒壞芯片，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100 Ω的限流電阻R150和R151與電池B1的正負極相連，C1、C0引腳分別接一個7.5 V的穩(wěn)壓二極管D24和D25用于保護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，當電池B1電壓高于均衡開啟電壓時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

本系統(tǒng)使用STM32F107作為主控制器基于μC/OS系統(tǒng)進行編程，對電池組進行實時監(jiān)測和在線控制。系統(tǒng)的主要任務(wù)有電池電壓、電流、溫度采集，SOC估算，電池組均衡保護以及報警，采集板與上位機間的通信。

系統(tǒng)首先使用采集模塊實時檢測單體電池的電壓、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。然后通過SOC估算程序計算出電池SOC，再通過電流方向判斷應(yīng)對電池組充電還是放電，充電時，自動進行充電均衡，放電時，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存儲芯片中，使用CAN總線將保存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。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，常用的有安時計量法、內(nèi)阻法、負載電壓法、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，鑒于實際工程應(yīng)用中實現(xiàn)的成本和算法難易程度，本系統(tǒng)采用安時計量法與負載電壓法相結(jié)合的方法來估算電池的SOC。安時計量法是目前最常用的電池SOC估算方法，其計算公式如下：

（1）

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

在電池進行充放電過程中用安時計量法對電池的充放電電流在時間上進行積分，得出充放電的電量，然后與電池標稱容量相除再加上起始時刻電池SOC0，得出電池的當前SOC。此外，在電池充滿或放完電時用負載電壓法來判定電池電量是否為滿或為空，以此可在每一次充放電循環(huán)后進行SOC校正，從而得出較為準確的電池SOC。

當電池組在充電時對其實施充電均衡，當電池組放電時設(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，上位機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、當前狀態(tài)等信息。

CAN通信的設(shè)計由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)，并對接收的數(shù)據(jù)進行和校驗，以確保上位機與電池管理系統(tǒng)通信的正確性。CAN發(fā)送程序嵌入定時器中，每隔1 s發(fā)送一次電池狀態(tài)信息，然后在主程序中進行數(shù)據(jù)更新。以此即可完成電池管理系統(tǒng)與上位機之間的通信。

3.3 上位機軟件設(shè)計

上位機監(jiān)控軟件主要是對電池管理系統(tǒng)進行在線監(jiān)控，實時顯示電池的狀態(tài)信息，并可以通過發(fā)送指令的方式對電池管理系統(tǒng)進行參數(shù)設(shè)置。上位機通過串口使用轉(zhuǎn)換模塊連接到CAN總線，然后再與下位機電池管理系統(tǒng)進行通信，用于查看電池的電壓、電流、溫度、SOC、工作狀態(tài)、報警信息，還可以遠程設(shè)置電池管理系統(tǒng)的過充保護電壓、過放保護電壓、充放電過流保護電流、欠壓報警等系統(tǒng)參數(shù)信息，便于對電池管理系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控與設(shè)置。上位機軟件界面如圖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，具有實時性好，精確度高，性能好等特點。本系統(tǒng)完成了對電子組電流的采集、單體電池電壓的采集、溫度檢測、電池荷電狀態(tài)的估算，根據(jù)采集的信息對電池進行均衡保護，并設(shè)計了上位機軟件與電池管理系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)遠程監(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)定安全的運行，減少了煤礦井下的不安全因素，延長了電池使用壽命。

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