基于無(wú)線通信的電池組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

以鋰離子電池為直流電機(jī)供電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，采用 ARMv7 系列微處理器 STM32F103 VET6 作為主控芯片，結(jié)合直流電流變送器 SIN-DZI-20A 和直流電壓變送器 SIN-DZU-30V，提出一套嵌入式電池組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電池組電壓、電流、電量等狀態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量、電池組安全管理、數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)波形顯示、電池組充放電狀態(tài)控制和無(wú)線 WiFi數(shù)據(jù)通信等功能。通過(guò)軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)測(cè)量精度達(dá)到 0.5 級(jí)，且具備一定的抗電磁干擾能力。

1  引言 

隨著商用電池技術(shù)成熟，鋰離子電池等二次電池已廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車(chē)、手機(jī)、筆記本電腦、工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人、風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)頻、分布式電源和微網(wǎng)等領(lǐng)域[1]。鋰離子電池與其他二次電池相比，具有能量密度高、體積小、質(zhì)量輕、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電少、循環(huán)壽命長(zhǎng)和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[2]。這些特點(diǎn)決定其在存儲(chǔ)電能等方面極具發(fā)展前景。

電池組的工作狀態(tài)包括電壓、電流、電量和溫度等物理參數(shù)[3]。無(wú)論是傳統(tǒng)的鉛酸電池，還是性能更加優(yōu)良的鋰電池，當(dāng)熱量散發(fā)速度小于熱量堆積速度時(shí)，必然會(huì)引起內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生大量熱能。為保證電池組安全工作，延長(zhǎng)其使用壽命，需要對(duì)電池組的電壓、電流、電量和溫度等物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、危險(xiǎn)預(yù)警和故障自動(dòng)切除。

1991 年，美國(guó)先進(jìn)電池開(kāi)發(fā)聯(lián)合體（USABC，United States Advanced Battery Consortium）成立了專門(mén)從事電池管理系統(tǒng)（BMS，Battery Management System）開(kāi)發(fā)和研究的實(shí)驗(yàn)室[4]。所研發(fā)的 BMS 的基本功能包括：限制電池的過(guò)充和欠充；確保電池組內(nèi)的電池之間的均衡；保持電池組的安全運(yùn)行[5]。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為滿足復(fù)雜情況下對(duì)電池組進(jìn)行監(jiān)控的需求，又引入了電池 SoC（State of  Charge）的預(yù)測(cè)、電池安全管理、電池組的能量均衡和電池?zé)峁芾淼确矫娴难芯縖6]。2008 年，特斯拉公司在改進(jìn)松下18650 型鋰離子電池電芯結(jié)構(gòu)的同時(shí)研發(fā)出全球領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)每一節(jié)電池、每一條線路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，若出現(xiàn)緊急異常情況，可在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)熔斷故障所在線路[7]。北京交通大學(xué)姜久春教授深入研究動(dòng)力電池的數(shù)學(xué)模型和電池狀態(tài)估計(jì)等方法，在 SoC 的預(yù)測(cè)精度能達(dá)到±3%，并首次提出鋰離子動(dòng)力電池?zé)o損快速充電的方法；在控制方面，提出主被動(dòng)均衡控制技術(shù)，提高 pack 容量利用率；其研究的通信協(xié)議，已經(jīng)上升為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]。

盡管傳統(tǒng)的有線監(jiān)控系統(tǒng)可有效完成電池 SoC 的預(yù)測(cè)、電池安全管理、電池組能量均衡和電池?zé)峁芾淼热蝿?wù)。但針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中所使用的鋰離子電池組，通常需要通過(guò)上位機(jī)或移動(dòng)終端實(shí)時(shí)獲取電池組狀態(tài)。傳統(tǒng)的有線監(jiān)控方式已無(wú)法滿足當(dāng)今使用者的需求，急需研制一種低成本、高可靠性的無(wú)線監(jiān)控電池組管理系統(tǒng)。本研究融合 WiFi 通信技術(shù)提出了遠(yuǎn)程電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)測(cè)量精度達(dá)到了 0.5 級(jí)，同時(shí)具備一定的抗電磁干擾能力。

2  硬件設(shè)計(jì)

在所提出的嵌入式電池組狀態(tài)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，被監(jiān)控對(duì)象為實(shí)驗(yàn)室中搭建的容量為 7.5 AH 24 V 直流 18650 鋰電池組對(duì)單臺(tái)直流電機(jī)的供電電路。負(fù)荷選用一臺(tái)帶直流調(diào)速器的 LX44WG 單軸蝸輪蝸桿減速電機(jī)。系統(tǒng)實(shí)物連接情況見(jiàn)圖 1。

選擇 STM32F103VET6 MCU 為主控芯片。板載的 MCU（Micro Controller Unit）為 LQFP 封裝、100 pin 的 STM32F103VET6。它有 512 kB 的 Flash 和64 kB 的 SRAM。STM32F103 VET6 采用 ARM 公司設(shè)計(jì)的 Cortex-M3 內(nèi)核，主頻達(dá) 72 MHz[9,10]。

電池組電壓和電流分別通過(guò)直流電壓變送器 SIN-DZU-30V 和直流電流變送器 SIN-DZI-20A 測(cè)量，經(jīng) ADC 接口電路采集、MCU 內(nèi)部轉(zhuǎn)換后，獲得電壓和電流的浮點(diǎn)值。直流電壓（電流）變送器把一定范圍的輸入端電壓（電流）線性轉(zhuǎn)化為在一定范圍的模擬量輸出電壓。電流變送器的輸入電流范圍是 0~20 A，輸出電壓范圍是 0~3.3 V。STM32 開(kāi)發(fā)板可通過(guò)ADC 采集直流電流變送器和電壓變送器輸出的模擬電壓。為防止變送器輸出交流分量信號(hào)，影響系統(tǒng)測(cè)量精度，需要在電壓變送器的模擬信號(hào)輸出端并聯(lián)鉭電容。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇 16V 10 μF 的鉭電容作為變送器濾波電容。

使用 DHT11 溫度傳感器測(cè)量電池組溫度，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)單總線通信方式送入 MCU。DHT11 傳感器溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包一般為 40 Bit，在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程中需要進(jìn)行校驗(yàn)，以保證在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中不出現(xiàn)誤傳與殘缺的情況。

測(cè)量獲得的電池組電壓、電流、溫度、電機(jī)狀態(tài)等數(shù)據(jù)暫存于 I2C EEPROM 存儲(chǔ)器，程序和漢字字庫(kù)燒錄于 Flash 程序存儲(chǔ)器中。并在需要時(shí)，通過(guò)一塊3.2 英寸電阻觸摸液晶屏顯示，或利用 ESP8266 串口 WiFi 模塊發(fā)送至手機(jī) APP 進(jìn)行顯示。ESP8266 模塊主要用于傳輸小數(shù)據(jù)量，不能用于傳輸圖像、音頻和視頻等大數(shù)據(jù)量的文件，系統(tǒng)升級(jí)時(shí)可考慮采用無(wú)線圖傳模塊替代 ESP8266。

無(wú)線傳輸電路設(shè)計(jì)如圖 2 所示[11,12]。

3  軟件設(shè)計(jì)

STM32F103VET6 微控制器基于 ARMv7 構(gòu)架的ARM Cortex-M3 嵌入式內(nèi)核，可使用通用的 ARM 嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)。它采用指令總線和數(shù)據(jù)總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)，比馮諾依曼結(jié)構(gòu)具有更快的處理速度。在 Keil uVision5 開(kāi)發(fā)環(huán)境中開(kāi)發(fā)了電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)軟件程序，該軟件程序使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行程序編寫(xiě)，編譯生成的 .hex 文件可通過(guò) DAP 仿真器經(jīng) JTAG 接口下載到程序存儲(chǔ)器中。

電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可分為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括電壓和電流讀取、溫度讀取、波形顯示、濾波、安全管理、電池組 SoC、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、無(wú)線顯示與控制、按鍵檢測(cè)、繼電器控制、電機(jī)控制和延時(shí)管理等方面的子程序設(shè)計(jì)。軟件系統(tǒng)流程如圖 3 所示。

當(dāng)程序檢測(cè)到 ESP8266 有新的消息進(jìn)入時(shí)，軟件進(jìn)入消息檢測(cè)程序。通過(guò)這個(gè)程序可以實(shí)時(shí)檢測(cè)到新用戶的連接與舊用戶的退出連接，還可以獲取來(lái)自上位機(jī)的控制命令?？梢酝ㄟ^(guò)使用套接字（Socket）接口實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)的 TCP/IP 通信。下位機(jī)先開(kāi)啟 TCP Sever 服務(wù)端，上位機(jī)開(kāi)啟 TCP Client 客戶端后，需要連接到下位機(jī)的 TCP Sever 服務(wù)端。

4  實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)電壓測(cè)量精度，可通過(guò)將系統(tǒng)所測(cè)電壓值同數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量電壓值相比較得到。系統(tǒng)電流測(cè)量精度，可通過(guò)將電流表與穿過(guò)電流變送器的導(dǎo)線串聯(lián)獲取到表測(cè)電流值，再與電池監(jiān)控系統(tǒng)所測(cè)電流值進(jìn)行對(duì)比得到。測(cè)量所使用的萬(wàn)用表型號(hào)為 VICTOR VC890D，它的基本精度為±(3+0.5%)，檢測(cè)頻率為3 Hz。VC890D 給出電壓值為 22.3 V 時(shí)，本系統(tǒng)測(cè)試電壓值為 22.30136 V；VC890D 給出電壓值為 22.2 V 時(shí)，本系統(tǒng)測(cè)試電壓值為 22.29590 V。測(cè)試結(jié)果表明：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量頻率最快可達(dá) 5 Hz，且測(cè)量精度能達(dá)到 0.5 級(jí)的絕對(duì)精度。安卓 APP 的界面，如圖 4 所示。

5  結(jié)語(yǔ)

當(dāng)無(wú)外部設(shè)備連接 STM32 開(kāi)發(fā)板的 Socket 服務(wù)時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)的延時(shí)平衡時(shí)間為 250 ms，即電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)頻率為 4 Hz。當(dāng)去掉電池組狀態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的電壓、電流和溫度波形顯示功能時(shí)，可將系統(tǒng)的延時(shí)平衡時(shí)間降低為 200 ms，即系統(tǒng)的檢測(cè)頻率達(dá)到 5 Hz。

經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，本系統(tǒng)軟件濾波效果較好，可有效濾除交流分量，保留直流分量。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測(cè)量頻率最快可達(dá) 5 Hz，且測(cè)量精度能達(dá)到 0.5 級(jí)的絕對(duì)精度。因此，整套方案滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。經(jīng)工業(yè)再設(shè)計(jì)和升級(jí)，本系統(tǒng)可擴(kuò)展為電網(wǎng)級(jí)鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的管理系統(tǒng)。