尤曉蕾，任紀偉，王超梁

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院，河南 鄭州 450046； 2.中國石油大學(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)的軟件設計*

尤曉蕾1，任紀偉2，王超梁1

(1.鄭州航空工業(yè)管理學院，河南 鄭州 450046； 2.中國石油大學(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、電池過充等問題，因此在實際使用中需要配合電池管理系統(tǒng)(BMS)對其進行管理和保護，以發(fā)揮其最佳性能。文中設計了一款具有24 V/20 A輸出功能的磷酸鐵鋰電池電源管理系統(tǒng)，利用模塊化的設計理念，采用MAX17830的硬件架構(gòu)對電池組進行數(shù)據(jù)的采集，并使用RT-Theart嵌入式操作系統(tǒng)進行任務管理。其主要研究內(nèi)容是磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設計及系統(tǒng)平臺測試。

磷酸鐵鋰電池；電池管理系統(tǒng)軟件設計；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、鎳氫等蓄電池無法相比的，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)隨著技術發(fā)展的不斷完善將逐步應用于車載電源系統(tǒng)之中[1]。配合電池管理系統(tǒng)對車載電源系統(tǒng)進行管理和保護能夠發(fā)揮其最佳性能。電池管理系統(tǒng)自產(chǎn)生開始，便得到了世界各國的重視，我國首次出現(xiàn)BMS研究在2000年前后，相比美國、日本等國家較晚，但我國對BMS的研究非常重視，“十一五”期間建立了電動汽車項目，對電池管理系統(tǒng)的研究也取得了重大進展。如今，BMS已經(jīng)成為國家和企業(yè)重點關注和投資的科學研究領域之一。

目前磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)智能化程度低，通用互換性差[2]，故從電池應用的實際需求出發(fā)，根據(jù)電池供電系統(tǒng)方便、簡潔、安全、高效的要求，結(jié)合電池應用中磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的軟件和硬件設計的特殊情況，本文設計了一個在使用中可以輸出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)可以通過串、并聯(lián)等多種組網(wǎng)方式對外提供多種直流電。并對磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)等技術展開系統(tǒng)研究，硬件采用MKE02Z64VQH2微控制器和MAX17830架構(gòu)的設計方案，采用ARM-M0+內(nèi)核的KinetisE系列MCU作為系統(tǒng)的主處理器對數(shù)據(jù)及整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行管理。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嵌入式實時操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效保障管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。軟件編寫根據(jù)功能的不同采用模塊化的編程結(jié)構(gòu)，以便軟件的維護和移植。

1 磷酸鐵鋰電池BMS軟件設計

磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)基于MDK-ARM Microcontroller Development 4.73集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言及部分匯編語言進行編寫，再編譯成相應的執(zhí)行文件格式，通過SWD協(xié)議下載到MCU上執(zhí)行。按照穩(wěn)定高效、低功耗等技術參數(shù)及要求，預設本電池管理系統(tǒng)由動態(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個功能體系構(gòu)成，從以上7個方面對電池能量系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、耐用性、易用性進行管理。采用RT-Theart嵌入式實時操作系統(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)開機自檢流程圖

當接通電源打開電池電源管理系統(tǒng)時，管理系統(tǒng)首先開機自檢和初始化。自檢包括溫度傳感器檢測、顯示器測檢、MAX17830芯片檢測、電流傳感器檢測以及通信檢測。初始化包括電池的電壓、電流、溫度的采集，硬件設備的啟動，電池組電量的計算。系統(tǒng)開機自檢流程圖見圖2。

系統(tǒng)啟動以后將定期采集8個DS18B20溫度傳感器的溫度、2路鉑電阻溫度計的溫度。8個DS18B20溫度傳感器采集8個單體電池的溫度，2路鉑電阻溫度計采集電池組箱體的溫度。當采集的溫度超過預設值時系統(tǒng)報警并關閉充、放電電路，如果其中的溫度傳感器有損壞，系統(tǒng)將發(fā)出警報聲，只要有2路鉑電阻溫度計和1個DS18B20溫度計正常工作,系統(tǒng)將只是報警不關閉。系統(tǒng)溫度檢測流程圖見圖3[5-6]。

圖3 系統(tǒng)溫度檢測流程圖

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MAX17830芯片和ACS712芯片來實現(xiàn)。CPU將采集的信息匯總，評估出電池組的剩余電量并進行顯示。當電池組剩余電量過低時系統(tǒng)將關閉。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)顯示出來供人員查看，當在一定的時間內(nèi)如果液晶屏沒有觸控操作將關閉背光。工作人員也可以利用觸控功能根據(jù)系統(tǒng)提示設置一些系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)人機交互。液晶顯示與人機交互功能流程圖如圖5。

圖5 液晶顯示與人機交互功能流程圖

2 系統(tǒng)測試平臺

根據(jù)具體需求對電池組及其管理系統(tǒng)進行了軟硬件設計，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)的開發(fā)是個不斷探索試驗的過程，軟硬件的聯(lián)合運作才能實現(xiàn)整體的功能。

硬件的測試主要通過3步完成：(1)電路圖設計的檢查，可以通過多人檢查的方式完成，能有效避免低級錯誤的出現(xiàn)；(2)在電路焊接的過程中，在器件準備、焊接過程等流程中嚴格管控，避免出現(xiàn)錯用零件或者零件虛焊的情況，在實際調(diào)試中這部分的錯誤往往經(jīng)常發(fā)生，往往會對系統(tǒng)后期測試造成很大麻煩，導致在問題修復中走彎路；(3)在系統(tǒng)上電之前使用萬用表對測試點進行測量，觀察是否滿足設計之初的設想，嚴禁盲目上電和冒險蠻干，避免造成設備的損壞。

軟件的調(diào)試因搭建了模擬平臺，在修改和測試上帶來了便利，同時，對于系統(tǒng)的錯誤，通過軟件升級的方式進行修復也是比較經(jīng)濟的途徑。在軟件調(diào)試中可分兩步進行：(1)局部功能調(diào)試，將系統(tǒng)的各個功能分成模塊，分開進行測試，每個模塊功能實現(xiàn)后再進行綜合測試；(2)將各個模塊的功能進行集合，聯(lián)合調(diào)試，最終實現(xiàn)整個功能。系統(tǒng)人機顯示界面如圖6所示。

圖6 人機顯示界面

3 結(jié)論

本文結(jié)合磷酸鐵鋰電池方便、簡潔、安全、高效的需求，從整體供電進行系統(tǒng)設計和軟件設計，電池管理系統(tǒng)采用模塊化的設計理念，軟件采用RT-Theart嵌入式實時操作系統(tǒng)，基于MDK-ARM Microcontroller Development 4.73集成開發(fā)環(huán)境，采用C語言及部分匯編語言進行編寫。該系統(tǒng)可以輸出24 V/20 A直流電。通過搭建的模擬平臺對單體電池、電池組的電壓、溫度等參數(shù)進行實際跟蹤測量，對測量結(jié)果分析可知，設計的磷酸鐵鋰電池組及其管理系統(tǒng)精度滿足規(guī)定的標準和要求，實現(xiàn)了改善蓄電池組電源系統(tǒng)性能的目標。

[1] 郭炳餛,徐徽,王先友,等.鋰離子電池[M].長沙:中南大學出版社,2002.

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

[3] 楊朔.基于CAN總線的電動汽車電池智能管理系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學,2004.

[4] 胡建紅.基于MC9S12DP512與CAN總線的電池管理系統(tǒng)研究與設計[D].上海:上海交通大學,2008.

[5] 陳誠,趙永瑞,任紀偉.一種實用動力電池用大功率電子開關設計[J].微型機與應用,2013,32(19):35-36.

[6] 任紀偉,尤曉蕾,陳誠.電臺用磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)設計[J].微型機與應用,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

國家自然科學基金(61162018)； 航空科學基金(2015ZD55005)

TN98

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.006

尤曉蕾，任紀偉，王超梁.24 V/20 A磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設計[J].微型機與應用，2017,36(13)：16-18.

2017-02-06)

尤曉蕾(1984-)，女，碩士，助理實驗師，主要研究方向：數(shù)字信號處理。