《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電動飛機(jī)的鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計

2016-02-09
作者:林 峰,楊 棟,,張曉新
來源:2015年微型機(jī)與應(yīng)用第17期

  摘  要: 為了提高電動飛機(jī)安全可靠性,,設(shè)計了一種用于某型號電動飛機(jī)的鋰電池管理系統(tǒng)。方案中利用LTC6804對電池的電壓進(jìn)行采集和均衡,,利用一個多路復(fù)用電路測量電池溫度,,利用一個霍爾效應(yīng)傳感器測量電池的電流。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,得到精確的剩余電量(State-Of-Charge,,SOC),從而可以得知飛機(jī)可以飛行的時間,。經(jīng)過測試,,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,誤差小于3%,,能夠均衡電池的電量,,實時提醒飛行時間。提高了飛機(jī)的安全性,,滿足了實際的需求,。

  關(guān)鍵詞: 電動飛機(jī);電池管理系統(tǒng)(Battery-Management-System,,BMS),;SOC

0 引言

  因舊式能源的污染問題及其儲藏量減少等因素,新式能源受到人們高度關(guān)注,。鋰電池由于其容量大,、壽命長、使用安全,、綠色環(huán)保等優(yōu)點在電動汽車上得到了廣泛的運用,。有鑒于此,沈陽某實驗室研制了一種利用鋰電池的新型電動飛機(jī),。

  但是由于鋰電池的電壓和容量很難做到非常大,,所以只能把大量的鋰電池串聯(lián)起來使用。又由于鋰電池具有明顯的非線性,、不一致性和時變特性,,使其在長期充放電過程中由于各單體電池間充電接受能力、自放電率和容量衰減速率等的差異影響,,容易造成組中電池之間的離散性加大,,性能衰減加劇,嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生威脅安全的后果[1],。所以在電池充放電時,,一定要注意對其進(jìn)行均衡,而且放電時的穩(wěn)定性尤為重要,,否則電動飛機(jī)的安全性能將大幅降低,。對于飛機(jī)來說,鋰電池與傳統(tǒng)燃料的最大區(qū)別就是鋰電池能量的不可預(yù)知性,,鋰電池飛機(jī)不像使用航空煤油的飛機(jī)那樣可以精確地獲知里程,,因此鋰電池飛機(jī)的飛行具有危險性。而BMS可以通過鋰電池的一些參數(shù)算出SOC,,而僅僅知道SOC也無法解決飛機(jī)里程的問題,。因為飛機(jī)在不同的飛行狀態(tài)下能量的消耗有著巨大的差別。所以不僅要顯示出SOC,,還要提示駕駛員在各種不同的制動飛行狀態(tài)下飛機(jī)的續(xù)航時間,。實際上飛機(jī)中電池的健康狀態(tài)(State of Health,SOH)比汽車中更加重要,。一旦電池出現(xiàn)問題,,必將導(dǎo)致重大事故?;诖松系姆N種原因,,為了提高飛機(jī)安全性能引入電池管理系統(tǒng)是必不可少的。而在BMS中,,為了獲得精確的SOC值,,就必須測量鋰電池的某些參數(shù)如電池電壓、電池電流和電池溫度,,所以精確的數(shù)據(jù)采集模塊是首要的,。

1 數(shù)據(jù)采集模塊

  1.1電壓采集

  該電動飛機(jī)為了獲得足夠的動能,把72塊電池串聯(lián)在一起供飛機(jī)使用,。為了在電池充放電時不引起過充,、過放和電池電量的不一致,就要了解每一塊電池的實時電壓,,故而選用了電池管理芯片LTC6804,,其可以一次測量12塊電池的電壓,且每塊LTC6804可以通過一個菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)連接在一起,,所有電池電壓可以一次性全部測量,,且測量誤差極小,,一般在1.2 mV以下。單個LTC6804的電池電壓測量電路如圖1所示,。

001.jpg

  1.2電流采集

  LTC6804輔助ADC輸入(GPIO引腳)可用于任何模擬信號,,包括那些來自產(chǎn)生兼容電壓的各種有源傳感器的信號。其中用于BMS的一個典型范例就是霍爾電流傳感器測量電流,。LEM-dhab系列霍爾電流傳感器是由LEM公司應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的新一代電流傳感器,,dhab系列傳感器最適用于測量直流、交流和脈沖電流,,主要應(yīng)用于大功率,、低電壓的電路。原邊電路(大功率)和副邊電路(電子電路)之間采用電氣隔離設(shè)計,。原理如下:該傳感器采用一個5 V電源供電,,然后原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償,其副邊電流精確地反映原邊電流,,LEM-dhab傳感器把副邊電流作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2轉(zhuǎn)化為與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列進(jìn)行相同的數(shù)字化處理,。

  1.3 溫度采集

  溫度對于電池的容量有著不小的影響,一般來說25℃~30℃環(huán)境下電池容量最大,。所以為了解決溫度對SOC估計的影響,,電池環(huán)境溫度是一個非常重要的因素。而且電池在過充和過放的時候,,溫度可能會有比較劇烈的波動,,所以電池管理系統(tǒng)必須對電池的實時溫度進(jìn)行監(jiān)控。LTC6804具有溫度采集功能,,但實際上需要測量比其路數(shù)更多的信號,,故增設(shè)一個多路復(fù)用(MUX)電路來支持更多的信號數(shù)目。電路如圖2所示,。該電路可采用GPIO ADC對多達(dá)8個輸入源信號進(jìn)行數(shù)字化處理,,而MUX控制則由3個配置為I2C端口的GPIO線路提供。緩沖放大器可以幫助選定信號快速恢復(fù)穩(wěn)定,,以增加可用的轉(zhuǎn)換速率,。

002.jpg

2 均衡模塊、通信模塊和微控制器

  2.1 均衡模塊

  LTC6804采取控制內(nèi)部MOSFET或外部MOSFET的方法來對電池組進(jìn)行均衡,。為獲得更大的放電電流,,提高放電效率,通常采用外部均衡,。如圖3所示,,LTC6804利用S管腳內(nèi)部的上拉電阻驅(qū)動外電路的P道溝MOSFET的柵極,從而使電量從高電壓電池轉(zhuǎn)移到低電壓電池,達(dá)到均衡的目的,。

003.jpg

  2.2 通信模塊

  由于通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同,,由多條總線構(gòu)成的情況很多,線束的數(shù)量也隨之增加,。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”,、“通過多個LAN進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要,,該系統(tǒng)使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,,CAN)。CAN總線能夠有效地應(yīng)對采集數(shù)據(jù)數(shù)量大,、種類多的特點,。

  2.3 微控制器

  本文以Atmel公司生產(chǎn)的ATmega8單片機(jī)作為微控制器。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī),。AVR單片機(jī)的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起,,所有的工作寄存器都與ALU(算術(shù)邏輯單元)直接相連,實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令同時訪問(讀寫)兩個獨立寄存器的操作,。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率,,使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此,,ATmega8可以達(dá)到接近1 MIPS/MHz的性能,,運行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。

  3 SOC測量原理

  SOC是電池組的最主要的一個狀態(tài)參數(shù),,它直接顯示電池的剩余電量,。所以有很多的學(xué)者對此進(jìn)行研究。目前研究SOC的主要方法有:放電實驗法,、安時積分法,、開路電壓法、負(fù)載電壓法,、電池內(nèi)阻法,、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2],。這些方法都有其優(yōu)缺點:放電實驗法是在實驗室中常溫條件下以恒定的電流放電,,其優(yōu)點是穩(wěn)定可靠,缺點是需要大量時間,,且不能用在工作的電池上,;開路電壓法是在電池充分靜置后測量電池的開路電壓,其優(yōu)點是計算SOC簡單易行,,缺點是電池不能處于工作狀態(tài)中,,無法在行駛的飛機(jī)上使用;安時積分法是把電池看成是一個黑匣子,,不管其內(nèi)部到底怎樣,,簡單地認(rèn)為其放出量等于其充入量,,該方法的優(yōu)點是測量簡單,可在線計算,,缺點是無法計算初始值,,且因其是積分的,所以其誤差也無法得到修正,;負(fù)載電壓法是在電池工作時測量其電壓,,其優(yōu)點是能夠?qū)崟r地估計SOC,缺點是飛機(jī)飛行狀態(tài)不同,,其負(fù)載上的電壓會劇烈地波動,,從而導(dǎo)致負(fù)載電壓法應(yīng)用困難;電池內(nèi)阻法是通過測量電池的內(nèi)阻來獲知其SOC,,其優(yōu)點是在SOC較高或較低時相當(dāng)準(zhǔn)確,,缺點是測量行駛飛機(jī)上電池的內(nèi)阻比較困難,且不同批次電池的內(nèi)阻差異較大,;卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是新型的測量方法,,是系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計,其優(yōu)點是實時性好,,能夠不停地修正誤差,,缺點是對于鋰電池的模型精度和BMS統(tǒng)籌計算能力要求較高;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是以計算機(jī)為基礎(chǔ),,通過模擬人腦的推理,、設(shè)計、思考,、學(xué)習(xí)等智能行為,,解決和處理復(fù)雜問題,其優(yōu)點是能夠模擬任何電池的動態(tài)特性,,缺點是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,,估計誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。根據(jù)這些方法的優(yōu)缺點,,本文提出一種以開路電壓法來獲知電池的初始SOC,,在這個基礎(chǔ)上對其進(jìn)行以能量為核心的安時積分法,最后為了解決安時積分法帶來的誤差,,采用卡爾曼濾波法通過充放電倍率,、電池溫度、自放電損耗和電池循環(huán)次數(shù)等方法來對誤差進(jìn)行修正,。

4 軟件設(shè)計

  4.1 LTC6804的配置

  在微控制器上電或復(fù)位后,,首先通過SPI口初始化LTC6804,主要是設(shè)置SPI的通信速率、LTC6804的ADC工作模式,。根據(jù)其讀,、寫時序可以寫出LTC6804的配置程序,程序如下:

  void LTC6804_initialize()//LTC6804初始化配置

  {

  quikeval_SPI_connect(),;

  spi_enable(SPI_CLOCK_DIV16),;

  set_adc(MD_NORMAL,DCP_DISABLED,,

  CELL_CH_ALL,,AUX_CH_ALL);

  }

  void set_adc(uint8_t MD,,//ADC模式

  uint8_t DCP,,//放電許可

  uint8_t CH,,//哪些電池被測量

  uint8_t CHG//測量哪些GPIO

 ?。?/p>

  void LTC6804_adcv();//啟動LTC6804電池測量

  uint8_t LTC6804_rdcv(uint8_t reg,,uint8_t total_ic,,uint16_t cell_codes[][12]);//讀取12節(jié)電池測量電壓

  void LTC6804_wrcfg(uint8_t nIC,,uint8_t config[][6]),;

  //寫配置寄存器

  int8_t LTC6804_rdcfg(uint8_t nIC,uint8_t r_config[][8]),;//讀配置寄存器

  void spi_write_read(uint8_t*TxData,,uint8_t TXlen,

  uint8_t*rx_data,,uint8_t RXlen),;//SPI讀寫

  4.2 電流采集程序設(shè)計

  霍爾電流傳感器通過作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2把信號在與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列中進(jìn)行數(shù)字化處理,從而達(dá)到與電壓同步的效果,。然后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)存在輔助寄存器A中,,從寄存器中讀出來的數(shù)據(jù)共16位,記為DATA1,,G1V為GPIO1的電壓,,I為被測電流。計算公式如下:

  5M@(JM}KL6FXWN4Y)5]SWSK.png

  4.3 總體程序設(shè)計

004.jpg

  如圖4所示,,首先對各個模塊進(jìn)行初始化,,測量電池的電壓、電流和溫度,。然后根據(jù)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC的估算,,并對電池所處狀態(tài)進(jìn)行分析、顯示。最后通過總線傳到上一級,,完成對電池組的監(jiān)控,。

5 數(shù)據(jù)與分析

  本文采用麥格納公司為電動汽車生產(chǎn)的大容量的鋰電池作為測量載體,采用安捷倫公司生產(chǎn)的34970A數(shù)據(jù)采集器作為輔助測量儀器,。表1是電池測量的一些數(shù)據(jù),。

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005.jpg

  由上表數(shù)據(jù)可知,LTC6804的測量誤差小于0.05%,,符合設(shè)計需求,,由圖5可知電池在電壓范圍3.0 V~3.5 V之間儲能極少,且電動飛機(jī)飛行時所需動能極大,,故可推測出電池電壓達(dá)到3.5 V時會急劇下降,,所以本文將SOC的初始值預(yù)設(shè)為3.5 V,并且利用高斯擬合得出一個開路電壓的公式0.96×exp(-((volt-1.58)/0.81)2)+0.5×exp(-((volt-0.48)/0.66)2):經(jīng)計算得知此公式誤差約為0.8%,,可以使用,。由圖6(a)可知電池在充電時充入35 kW/10 s能量,放電時放出32.4 kW/10 s能量,,可以推測出電池?fù)p耗約為7.5%,。由圖6(b)可知,電池在常溫下放出22 kW/10 s能量,,-20℃時放出15 kW/10 s能量,,可以推測出溫度對電池影響極大,約為32%,。由圖6(c)可知,,電池在-20℃時放出15 kW/10S能量,而這時卻充入約23.9 kW/10S能量,,影響約為38%,,基本上等于電池?fù)p耗和溫度損耗之和。由圖6(d)可知,,電池在充電時充入39.2 kW/10S能量,,然后放置了約50天,放電時放出37.8 kW/10S能量,,可以得知此次損耗約為9.5%,。除去原來得知的電池7.5%的損耗,電池在50天的自損約為2%,。

006.jpg

6 結(jié)論

  本文采用ATmega8來控制信號和計算數(shù)據(jù),,利用高精度采集芯片LTC6804采集電壓、電路,、溫度等信號,,通過實驗等到的結(jié)果來對電池當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行調(diào)整,,使精度進(jìn)一步提高;然后分析飛機(jī)處于哪種飛行狀態(tài),,這樣就可以提示飛機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)的準(zhǔn)確飛行時間,。經(jīng)過實踐表明,該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,,具有使用價值,。

  參考文獻(xiàn)

  [1] ARAI J, YAMAUCHI S. Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles[J].Journal of Power Sources,, 2005,, 146(1-2):788-792.

  [2] 麻友良,陳全世,,齊占寧.電動汽車用電池SOC定義與檢測方法[J].清華大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,,2001,41(11):27-35.(收稿日期:2015-06-01)


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