王吉中，劉陽春，趙 博，邢高勇，汪鳳珠，李 陽

(中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083)

0 引言

隨著鋰電池技術(shù)的不斷發(fā)展，鋰電池的放電電壓穩(wěn)定、體積能儲(chǔ)比例高、低放電損耗、循環(huán)充放壽命較長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸被各行業(yè)應(yīng)用所發(fā)現(xiàn)。其廣泛應(yīng)用于各種終端如手機(jī)、pos機(jī)、相機(jī)、筆記本等小型設(shè)備中。對(duì)于一些供電要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景如基站、電動(dòng)汽車、動(dòng)力電源和備用電源等，穩(wěn)定的大容量鋰電池是較為普遍的選擇。得益于動(dòng)力電池的廣泛應(yīng)用，鋰電池管理系統(tǒng)BMS技術(shù)也日漸成熟，成本持續(xù)降低，應(yīng)用可擴(kuò)展性持續(xù)提高。

單節(jié)鋰電池電壓為3.7 V，大容量使用場(chǎng)合需要將多個(gè)鋰電池串并聯(lián)供電，由于鋰電池個(gè)體內(nèi)部特性差異的存在，在較大負(fù)載使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)電池充放電不統(tǒng)一，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)容量需求，嚴(yán)重縮短電池使用壽命，甚至引發(fā)電池爆炸等危險(xiǎn)[1]。本次所應(yīng)用的漁場(chǎng)投飼機(jī)，負(fù)載較大，對(duì)電池的負(fù)載能力要求較高，因此，需要一種較為穩(wěn)定的大電流、大功率電源管理系統(tǒng)對(duì)電池組進(jìn)行充放電的保護(hù)。

本研究設(shè)計(jì)一種由電池管理系統(tǒng)BMS與LORA相結(jié)合的遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池充放電保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多節(jié)鋰電池構(gòu)成的電池組過充過放保護(hù)、短路保護(hù)、電壓監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)等功能[2]。在鋰電池組驅(qū)動(dòng)投飼機(jī)工作過程中對(duì)出現(xiàn)過流、過壓等高負(fù)載情況可及時(shí)關(guān)閉放電，以保證電池的安全；遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)功能可實(shí)時(shí)顯示電池電壓、電量等參數(shù)，方便工作人員及時(shí)將投飼機(jī)回到原點(diǎn)進(jìn)行電池組充電，極大地解決了投飼機(jī)遠(yuǎn)距離工作時(shí)無法查看電池電量，導(dǎo)致無法工作的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋰電池遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)如圖1所示，其主要由多節(jié)鋰電池組、電池保護(hù)IC、控制單元、LORA收發(fā)模塊和屏幕顯示端上位機(jī)組成。電池組使用8并13串松下18650單體鋰電池組成，單節(jié)電池電壓2.75～4.18 V，容量2.6AH，整體電池組最高容量20.8AH，最高理論工作電壓54.34 V，最大持續(xù)放電電流60 A，滿足投飼機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率400 W需求。電池保護(hù)IC具有電壓檢測(cè)精度高，過充、過放、過流保護(hù)功能，且功耗較低?？刂茊卧饕ぷ魇菣z測(cè)電池組實(shí)時(shí)溫度和電池組單體電池電壓值，并進(jìn)行電池IC的控制，實(shí)現(xiàn)電池保護(hù)。LORA模塊實(shí)現(xiàn)與控制單元串口通信，將電池參數(shù)數(shù)據(jù)通過LORA模塊發(fā)送到遠(yuǎn)端接收模塊。屏幕顯示端上位機(jī)主要顯示LORA接收模塊接收到的電池具體數(shù)據(jù)，方便工作人員查看。

2 硬件設(shè)計(jì)

本電池管理系統(tǒng)使用的電池管理IC為L(zhǎng)APIS公司的ML5238，其內(nèi)部邏輯如圖2所示。

通過設(shè)置CS0、CS1選擇所需要管理的鋰電池節(jié)數(shù)，本系統(tǒng)將CS0、CS1設(shè)置為低電平，可管理電池單體數(shù)為13節(jié)；OVS過充保護(hù)和恢復(fù)電壓設(shè)置；UVS過放保護(hù)和恢復(fù)電壓設(shè)置；CDOV過充檢測(cè)延時(shí)時(shí)間設(shè)置；CDUV過放檢測(cè)延時(shí)時(shí)間設(shè)置；C-FET充電控制MOS開關(guān)控制；D-FET放電控制MOS開關(guān)控制；ISENSE過電流保護(hù)控制輸入端；通過以上引腳的邏輯控制可實(shí)現(xiàn)鋰電池的過充、過放、過流等保護(hù)[2]。

電源管理IC與控制單元連接如圖3所示，控制器MCU通過SPI總線連接通信，ML5238電源管理IC將檢測(cè)到的13組鋰電池電壓值通過SPI總線方式傳輸給控制器MCU單元，控制單元根據(jù)收到電壓數(shù)據(jù)分析判斷并對(duì)ML5238進(jìn)行相應(yīng)的控制，實(shí)現(xiàn)鋰電池組單體的過流過壓等保護(hù)。圖中的PACK(+)與PACK(-)引腳為電池充放電引腳，MCU的邏輯控制與ML5238電源管理IC的過充、過放等保護(hù)都將作用于此兩腳處[3]。

圖2 ML5238內(nèi)部邏輯Fig.2 ML5238 internal logic diagram

圖3 控制單元連接圖Fig.3 Connection diagram of control unit

LORA通信模塊與MCU控制單元連接如圖4所示，LORA模塊使用的是ALIENTEK推出的一款采用SMD封裝，體積小、微功率、低功耗、高性能、遠(yuǎn)距離LORA無線串口模塊。模塊設(shè)計(jì)是采用高效的ISM頻段射頻SX1278擴(kuò)頻芯片，模塊工作頻率410～441 MHz，以1 MHz頻率為步進(jìn)信道，共32個(gè)信道，可通過AT指令在線修改串口速率、發(fā)射功率、空中速率、工作模式等各種參數(shù)，并且支持固件升級(jí)功能。MDO參數(shù)設(shè)置片選端，AUX模塊工作狀態(tài)，RXD數(shù)據(jù)接收端，TXD數(shù)據(jù)發(fā)送端，MCU與LORA間通信通過串口RXD、TXD連接，數(shù)據(jù)發(fā)送前需要將LORA模塊進(jìn)行工作模式設(shè)置，其模塊主要包括以下3種工作模式。

圖4 LORA通信連接Fig.4 Lora communication connection

①點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式要求地址相同、信道相同、無線速率(非串口波特率)相同的兩個(gè)模塊，一個(gè)模塊發(fā)送，另外一個(gè)模塊接收(必須是一個(gè)發(fā)一個(gè)收)；每個(gè)模塊都可以做發(fā)送/接收；數(shù)據(jù)完全透明，所發(fā)即所得。②點(diǎn)對(duì)多模式要求地址相同、信道相同、無線速率(非串口波特率)相同的模塊，任意一個(gè)模塊發(fā)送，其他模塊都可以接收到；每個(gè)模塊都可以做發(fā)送/接收。③廣播監(jiān)聽模式要求模塊地址必須為0XFFFF，則該模塊處于廣播監(jiān)聽模式，發(fā)送的數(shù)據(jù)可以被相同速率和信道的其他所有模塊接收到(廣播)；同時(shí)，可以監(jiān)聽相同速率和信道上所有模塊的數(shù)據(jù)傳輸(監(jiān)聽)但廣播監(jiān)聽無需地址相同。

根據(jù)養(yǎng)殖場(chǎng)投飼機(jī)的數(shù)量可以進(jìn)行模式選擇，多臺(tái)投飼機(jī)時(shí)選用點(diǎn)對(duì)多模式，單臺(tái)投飼機(jī)時(shí)選用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，本次設(shè)計(jì)使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸方式。

3 軟件設(shè)計(jì)

ML2358在使用時(shí)需進(jìn)行軟件設(shè)置，電流測(cè)量校驗(yàn)步驟如圖5所示。①寫入IMON寄存器“12H”，并設(shè)置電流為零。②當(dāng)電流為零時(shí)外部ADC測(cè)量IMON引腳輸出電壓并將結(jié)果存儲(chǔ)在變量VIM0中。③寫入IMON寄存器“14H”，并設(shè)置IMON輸出放大的內(nèi)部參考電壓。④外部ADC測(cè)量IMON引腳輸出電壓(放大的內(nèi)部參考電壓)結(jié)果存儲(chǔ)在變量VIM1中。⑤寫入IMON寄存器“1CH”，并設(shè)置IMON輸出內(nèi)部參考電壓。⑥用外部ADC測(cè)量IMON引腳輸出電壓(輸出內(nèi)部參考電壓)結(jié)果存儲(chǔ)在變量VR中。⑦用VIM0、VIM1、VR計(jì)算電壓增益和零校正值[3]。電壓增益計(jì)算如式(1)所示，零校正值如式(2)所示。

圖5 ML2358軟件校驗(yàn)步驟Fig.5 ML2358 software verification steps

GIM=(VIM1-VIM0)/VR

(1)

VIMZ=VIM0

(2)

LORA模塊軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示，LORA收發(fā)模塊進(jìn)行穩(wěn)定的通信需要根據(jù)傳輸需要對(duì)配對(duì)模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，其主要包括設(shè)備地址、信道、發(fā)射功率和串口波特率等參數(shù)設(shè)置[4]。由于本次通信使用透?jìng)鼽c(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式，因此兩模塊初始化設(shè)置基本一致，詳見圖5所示流程圖。

圖6 LORA軟件參數(shù)設(shè)置Fig.6 LORA software parameter settings

為滿足工作人員能夠及時(shí)查看電池組的電池單體狀態(tài)情況，專門設(shè)計(jì)了鋰電池保護(hù)板PC監(jiān)控電池組數(shù)據(jù)、修改保護(hù)板參數(shù)等其他功能上位機(jī)軟件。該軟件人性化的操作界面可方便操作者進(jìn)行各項(xiàng)操作[5-14]。編輯界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面Fig.7 Host computer monitoring interface

軟件窗口主要分為電池信息、參數(shù)設(shè)置、校準(zhǔn)及其他功能；說明詳細(xì)，字體大小合理，各項(xiàng)列間距大小合理，既方便完全顯示所有內(nèi)容，又方便用戶使用。

4 試驗(yàn)測(cè)試

投飼機(jī)電池組遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)由8并13串鋰電池組、電池保護(hù)IC、控制單元、LORA收發(fā)模塊組成，組裝調(diào)試好電池組如圖8所示，其詳細(xì)組成包括充放電連接線、鋰電池、控制保護(hù)板、LORA通信模塊。

圖8 電池組遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)實(shí)物Fig.8 Physical diagram of battery pack remote management system

開始試驗(yàn)之前，需要先進(jìn)行保護(hù)板的保護(hù)參數(shù)設(shè)置，配置內(nèi)容主要有單體過壓、單體欠壓、整組過壓、整組欠壓、充電高低溫、放電高低溫、充電過流及放電過流的保護(hù)值、釋放值及保護(hù)延時(shí)。工作者可以根據(jù)自己的使用情況自行設(shè)置，設(shè)置界面如圖9所示，設(shè)置整組保護(hù)過壓55.2 V，整組保護(hù)欠壓35.1 V。

圖9 保護(hù)參數(shù)設(shè)置界面Fig.9 Protection parameter setting interface

將電腦連接LORA接收模塊，檢測(cè)鋰電池組13組單體電壓等參數(shù)值，如表1所示。在表1基礎(chǔ)上，總電壓50.34 V，剩余電量13.4 AH，進(jìn)行電池組放電試驗(yàn)，選擇1 A的放電電流，由理論計(jì)計(jì)算可知放電時(shí)長(zhǎng)約14 h。鋰電池放電時(shí)電壓變化如圖10所示。

圖10 放電電壓-時(shí)間曲線Fig.10 Discharge voltage-time curve

選用充電電壓48 V，電流最大5A充電器對(duì)鋰電池進(jìn)行充電試驗(yàn)，充滿時(shí)間約5 h，充電過程中實(shí)時(shí)記錄充電電流，其充電電流變化趨勢(shì)如圖11所示。

通過充放電試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)可知，放電過程中，鋰電池組電壓達(dá)到設(shè)定的最低電壓值35.1 V附近時(shí)，停止放電，有效保護(hù)電池的過放。在充電過程中，為保護(hù)鋰電池單體，充電電流呈現(xiàn)過山車式，開始時(shí)電流較小，防止電池虧空時(shí)充電電流過大而損壞電池單體，在接近240 min時(shí)，充電電流減小為0.22A，可判定為電池組電量充滿，停止電流輸入，過充保護(hù)開啟。

表1 鋰電池充放電前參數(shù)

圖11 充電電流-時(shí)間曲線Fig.11 Charging current-time curve

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程鋰電池管理系統(tǒng)具有較好的過流、過充、過放、保護(hù)功能，使鋰電池單體得到精確保護(hù)，延長(zhǎng)了電池的使用壽命和安全性能；同時(shí)解決了因距離過遠(yuǎn)無法實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池狀態(tài)的難題，方便了喂料工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)投飼機(jī)電池組電量狀況并進(jìn)行充電，有效節(jié)約時(shí)間，提高工作效率。