以鋰離子電池為直流電機(jī)供電系統(tǒng)作為研究對象，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)測系統(tǒng)設(shè)計方案。該監(jiān)測系統(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)時測量、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)控制和無線 WiFi數(shù)據(jù)通信等功能。通過軟硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電池組狀態(tài)測量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)測量精度達(dá)到 0.5 級，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)用在電動汽車、手機(jī)、筆記本電腦、工業(yè)移動機(jī)器人、風(fēng)電場儲能系統(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、無記憶效應(yīng)、自放電少、循環(huán)壽命長和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)[2]。這些特點(diǎn)決定其在存儲電能等方面極具發(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，必然會引起內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生大量熱能。為保證電池組安全工作，延長其使用壽命，需要對電池組的電壓、電流、電量和溫度等物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時狀態(tài)監(jiān)控、危險預(yù)警和故障自動切除。

1991 年，美國先進(jìn)電池開發(fā)聯(lián)合體(USABC，United States Advanced Battery Consortium)成立了專門從事電池管理系統(tǒng)(BMS，Battery Management System)開發(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、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)的同時研發(fā)出全球領(lǐng)先的電池管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對每一節(jié)電池、每一條線路進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，若出現(xiàn)緊急異常情況，可在毫秒級時間內(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力電池的數(shù)學(xué)模型和電池狀態(tài)估計等方法，在 SoC 的預(yù)測精度能達(dá)到±3%，并首次提出鋰離子動力電池?zé)o損快速充電的方法;在控制方面，提出主被動均衡控制技術(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、電池安全管理、電池組能量均衡和電池?zé)峁芾淼热蝿?wù)。但針對電動汽車、工業(yè)移動機(jī)器人系統(tǒng)中所使用的鋰離子電池組，通常需要通過上位機(jī)或移動終端實(shí)時獲取電池組狀態(tài)。傳統(tǒng)的有線監(jiān)控方式已無法滿足當(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)測量系統(tǒng)設(shè)計方案，并通過實(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)測量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，狀態(tài)測量精度達(dá)到了 0.5 級，同時具備一定的抗電磁干擾能力。

2 硬件設(shè)計

在所提出的嵌入式電池組狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)中，被監(jiān)控對象為實(shí)驗(yàn)室中搭建的容量為 7.5 AH 24 V 直流 18650 鋰電池組對單臺直流電機(jī)的供電電路。負(fù)荷選用一臺帶直流調(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直流電壓變送器 SIN-DZU-30V 和直流電流變送器 SIN-DZI-20A 測量，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 開發(fā)板可通過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，影響系統(tǒng)測量精度，需要在電壓變送器的模擬信號輸出端并聯(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 溫度傳感器測量電池組溫度，測量數(shù)據(jù)經(jīng)單總線通信方式送入 MCU。DHT11 傳感器溫度測量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包一般為 40 Bit，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中需要進(jìn)行校驗(yàn)，以保證在數(shù)據(jù)傳輸過程中不出現(xiàn)誤傳與殘缺的情況。

測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 存儲器，程序和漢字字庫燒錄于 Flash 程序存儲器中。并在需要時，通過一塊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)升級時可考慮采用無線圖傳模塊替代 ESP8266。

無線傳輸電路設(shè)計如圖 2 所示[11,12]。

3 軟件設(shè)計

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)開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(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 開發(fā)環(huán)境中開發(fā)了電池組狀態(tài)測量系統(tǒng)軟件程序，該軟件程序使用 C 語言進(jìn)行程序編寫，編譯生成的 .hex 文件可通過 DAP 仿真器經(jīng) JTAG 接口下載到程序存儲器中。

電池組狀態(tài)測量系統(tǒng)軟件設(shè)計可分為下位機(jī)軟件設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計。下位機(jī)軟件設(shè)計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、無線顯示與控制、按鍵檢測、繼電器控制、電機(jī)控制和延時管理等方面的子程序設(shè)計。軟件系統(tǒng)流程如圖 3 所示。

當(dāng)程序檢測到 ESP8266 有新的消息進(jìn)入時，軟件進(jìn)入消息檢測程序。通過這個程序可以實(shí)時檢測到新用戶的連接與舊用戶的退出連接，還可以獲取來自上位機(jī)的控制命令?？梢酝ㄟ^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)先開啟 TCP Sever 服務(wù)端，上位機(jī)開啟 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)電壓測量精度，可通過將系統(tǒng)所測電壓值同數(shù)字萬用表測量電壓值相比較得到。系統(tǒng)電流測量精度，可通過將電流表與穿過電流變送器的導(dǎo)線串聯(lián)獲取到表測電流值，再與電池監(jiān)控系統(tǒng)所測電流值進(jìn)行對比得到。測量所使用的萬用表型號為 VICTOR VC890D，它的基本精度為±(3+0.5%)，檢測頻率為3 Hz。VC890D 給出電壓值為 22.3 V 時，本系統(tǒng)測試電壓值為 22.30136 V;VC890D 給出電壓值為 22.2 V 時，本系統(tǒng)測試電壓值為 22.29590 V。測試結(jié)果表明：本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量頻率最快可達(dá) 5 Hz，且測量精度能達(dá)到 0.5 級的絕對精度。安卓 APP 的界面，如圖 4 所示。

5 結(jié)語

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

經(jīng)系統(tǒng)測試，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)測量頻率最快可達(dá) 5 Hz，且測量精度能達(dá)到 0.5 級的絕對精度。因此，整套方案滿足系統(tǒng)設(shè)計需求，具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用前景。經(jīng)工業(yè)再設(shè)計和升級，本系統(tǒng)可擴(kuò)展為電網(wǎng)級鋰電池儲能系統(tǒng)的管理系統(tǒng)。