基于STM32F205芯片的耐压型电池管理系统的研制

2017-01-10戴国群谢建鸿

电源技术 2016年12期

关键词：电池组薄膜管理系统

戴国群，谢建鸿

(北京神州远望科技有限公司，北京100029)

基于STM32F205芯片的耐压型电池管理系统的研制

戴国群，谢建鸿

(北京神州远望科技有限公司，北京100029)

介绍了一款基于STM32F205芯片设计，应用于深海载人潜航器充油锂电池组的电池管理系统。详述了该系统的硬件和软件设计，以及元器件选型要求。配备该系统的DC110 V/500 Ah磷酸铁锂电池组进行了30次陆地常压试验和5次78 MPa的压力筒试验。试验结果表明：系统运行稳定，监测与通信功能正常，检测精度与常压环境无异，具有较好的性能表现。为后续在潜航器上开展工程化应用提供了参考。

锂电池；电池管理系统；充油；潜航器；耐压型电池组；深海

随着各国对海洋资源、海洋权益的日益重视和对潜航器续航里程的不懈追求，具有高比量、长循环寿命性能优势的锂电池，不仅在消费类电子产品领域得到广泛应用，还被逐渐拓展到了海洋领域[1]。由于潜航器对电压等级与额定能量要求较高，电池组需由大量的单体锂电池串联和并联组合而成。然而，由于锂电池抗滥用性能较差，特别是在压力环境下单体电池更易产生内部短路与局部过热等问题，给电池组带来安全隐患。因此，需要电池管理系统对单体电池进行实时监控与管理[2-3]，提前预警与及时保护，确保在使用过程中的安全性与可靠性。同时，由于电池管理系统本身同样处于压力环境下，容易因元器件压坏、焊点脱落等而导致电路失效。因此，研制抗压性能优异、功能强大与高稳定性的电池管理系统十分必要。

1 系统设计

以载人潜水器用充油磷酸铁锂电池组DC110 V/500 Ah(36串)为管理对象，通过硬件与软件设计，研制在标准大气压和78 MPa超高压的双模充油环境条件下，具有实时监测电池组容量，过充、过放、过温、绝缘电阻、膨胀、短路、故障定位与报警、通讯、保护控制、数据记录、人机交互界面的电池管理系统(以下简称系统)。同时，为提高系统的可靠度，在电池组中采取配置双系统方案，实行双路同时采集，互为备用。此外，为提高电池组的占空比，系统主从控设成一体式结构。

2 硬件设计

本设计硬件系统包括意法半导体增强型STM32F205R微处理器及其外围电路、RS485/USB接口、LCD液晶触摸屏和报警装置与保护电路等。增强型STM32F205R微处理器是基于ARM 32位ContexTM-M3内核的高速处理器，可实时使程序在Flash中以最高120 MHz频率运行，能够实现零等待的执行能力，内置存储器保护单元，能够实现高达150DMIPS的性能，此外还包括1 M字节闪存，2个CAN通信、17个定时器、3个ADC、15个通信接口。系统电路原理方框图见图1。

(1)供电单元

系统DC24 V输入，经过滤波降压成DC5 V/3 A系统，再经过分别隔离降压供给各种电路，经两级降压以减少电源对内部电路干扰。

系统供电共6组：CPU电源(DC3.3 V非隔离)，通讯电源(DC5 V隔离)，电压采集电源(DC5 V隔离)，温度采集电源(5 V隔离)，鼓涨检测采集电源(DC5 V隔离)，电流采集电源(±DC15 V隔离)。

所有隔离电源均采用TI公司DCP01系列隔离模块。

(2)电压采集单元

LTC6803-3是凌特公司推出的一款完整的电池监视芯片，包含一个内置12位ADC，一个精确的电压基准、一个高压输入多路复用器和一个串行接口。每个LTC6803可同时测量多达12节串联连接电池电压信号，电压检测范围300 mV～5 V，测量误差低于0.25%。本文采用3片LTC6803-3级联，组成36路电压采集通道，与CPU之间经过SPI隔离芯片连接。电压采集电路图见图2。

图1 系统电路原理方框图

图5 绝缘检测电路图

图2 电压采集电路图

(3)电流采集单元

电流采集选用分流器，优点是精度高，全金属材质，耐高压与油环境。

(4)温度采集单元

温度检测采用NTC薄膜热敏电阻，测温范围－30～125℃，温度检测电路与电池检测电路隔离，防止碰触电池电极时发生危险。电池组设置3路CD4067B电子开关进行36点温度检测，通过CD4067B电子开关将NTC的电压信号传输到STM32F205自带的ADC端口，将模拟信号转换成数字信号，计算出热敏电阻值，根据热敏电阻值与温度的关系计算出温度值。3路 CD4067B电子开关通道的开启，由STM32F205控制。CD4067B电子开关可同时控制16路数据切换。温度采集电路图见图3。

图3 温度采集电路图

(5)鼓涨采集单元

当单体电池内部有毛刺和异物颗粒存在时，在巨大的外压作用下，容易刺穿隔膜而形成内部短路，引起电池气胀和急骤温升发生，如未能及时监测与控制，电池温度会不可逆地继续升高，最终导致“热失控”发生，使电池组发生燃烧和失电危险，危及潜航员的生命安全。

本文设计的电池鼓胀检测装置[4]如图4所示，电池鼓胀检测片设于单体电池的表面，当电池鼓胀到一定程度时，相邻两鼓胀感应片将触碰在一起形成通路，由MC33993芯片组成的检测电路将其转变为开关量信号，送往STM32F20 5 R微处理器处理，通过显示屏予以报警提示。鼓涨检测电路与电池检测电路需进行隔离，以防止碰触电池电极时发生危险。

图4 鼓胀检测装置结构示意图

(6)绝缘检测

绝缘检测采用有源检测方案，如图5所示，STM32F205R微处理器通过隔离开关，与电池正极、电阻与电池壳体连接，测量正极绝缘电阻；然后再通过隔离开关，与电池负极、电阻与电池壳体连接，测量负极绝缘电阻。

3 软件设计

(1)采集功能

系统共采集：36节电池电压、36点温度及36点电池鼓胀开关量、1路电流、1路绝缘电阻。

(2)通讯功能

系统与充电机通讯和总控制器采用RS485物理接口MODBUS-RTU通讯协议。

(3)数据存储功能

存储的数据包含：单体电压、总电压、单体温度、单体鼓涨、电流、充放电状态报警信息、SOC剩余电量。

存储策略：当检测到电池处于充电或放电状态时每隔1 min存储一组数据，当检测到电池静置时，每隔10 min存储一组数据，当数据存储满后将覆盖旧信息。数据可通过USB接口在上位机读取。

(4)控制与保护策略

本文采用安时(Ah)积分法对电池组的荷电状态进行估算。通过对电池组采样数据分析，建立数学模型；根据分析结果，确定电池组的荷电状态和生成相应信息。

在充电过程中，系统将采集到的电压、鼓胀、温度、电流及总回路电压、总电流的数据等数据，通过RS485接口上报给充电机，由充电机自身决定充电管理与处置，管理系统只对严重故障做出报警，管理系统无执行权。

在放电过程中，系统除采集功能外，还需要判断电池状态，包括欠压，过流，超温等，生成相应报警信息通知给总控制器，管理系统无执行权。系统工作原理方框图和软件控制策略见图6、图7。

图7 系统软件控制流程图

(5)参数可修改

所有可调整的参数均可通过显示屏进行修改。

(6)显示

显示信息包括：总电压、单体电压、单体温度、鼓胀状态、绝缘状态、充放电状态、各种报警状态与SOC容量。

4 元器件选型

由于系统工作在充油(液压油或硅油)压力环境中，因此，不可选用内部非实心元器件(如：电解电容、DC/DC密封模块等)，否则，元器件容易压裂而失效。同时，所有元器件和焊接应为无铅元件，以防止补偿油的加速老化。

5 结果与讨论

第一次不加电耐压试验：共投入10套系统进行78 MPa的加压试验，试验结束后对试验样品进行了检测，其中3套合格，7套不良。对不良样品进行了解剖与原因分析，结论为电路板元器件裂纹、焊点脱落和虚焊导致。

第二次不加电耐压试验：对电路板进行了焊接工艺的优化和元器件的筛选工作，重新制作了10套系统再度进行78 MPa不加电耐压试验，试验结束后对试验样品进行了性能检测，除1套样品有异常外，其余性能均良好。将上述没有问题的样品再度进行第三次78 MPa不加电耐压试验。选取第三次试验后的2套合格系统样机，将其组装到试验电池组内，首先进行30次的陆地充放电试验，试验过程中未见异常情况出现。随后，将上述电池组充满电吊入压力筒，进行了5次78 MPa的耐压试验，加压速度为7.8 MPa/10 min，当加压至45 MPa时，电池组开始以0.2C恒流放电。试验过程中系统运行稳定、监测与通信功能正常、数据传输正常、检测精度达到设计要求。系统安装结构见图8，电池组进入压力筒试验前状态见图9，系统操作界面见图10～图11。

图8 电池管理系统安装结构

图9 电池组进入压力筒试验前状态

图10 电池管理系统参数设置界面

图11 电池管理系统信息显示界面

6 结论

基于STM32F205R芯片设计的电池管理系统，通过合理的电路设计、元器件选型和焊接工艺控制等，实现了在标准大气压和78 MPa超高压的双模充油环境条件下对电池组的有效监测与控制能力，已基本具备在深海载人潜航器充油锂电池组上开展工程化应用的技术条件。

[1]戴国群，陈性保，胡晨.锂离子电池在深潜器上的应用现状及发展趋势[J].电源技术，2015，39(8)：1768-1772.

[2]LU L，HAN X，LI J，et al.A review on the key issues for lithiumion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Sources，2013，226：272-288.

[3]WEN J，YU Y，CHEN C.A review on lithium-ion batteries safety issues：existing problems and possible solutions[J].Materials Express，2012，2(3)：197-209.

[4]戴国群.电池鼓胀智能监控系统：中国，ZL201320456957.8[P].2014-02-19.

图6 三维GaInP薄膜KMC生长可视化仿真算法

2 实验结果

以自强3000高性能集群为基础，在其上选择一个800× 800×400的晶格空间对本文的并行算法和串行算法生长GaInP薄膜分别进行测试，对结果进行分析可知，当参数相同时二者所得结果相同。虽然在KMC生长算法中需要原子进行较多的边界查询，但这样可使通信量和通信次数大大降低，从而使该算法的效率得到很大的提升。图7所示为当衬底温度为997 K、沉积时间为5 min时，实验和模拟两种情况下所得GaInP薄膜的形貌图。图8所示为当衬底温度为997 K，实验和模拟两种情况下所得单位面积上GaInP薄膜岛的平均原子数的变化情况。图9所示为当衬底温度变化时，实验和模拟两种情况下所得岛的平均原子数的变化情况。综上所述，模拟所得结果与实验结果相一致，这也说明了本文所提出的模拟方法可真实地反映太阳电池薄膜的生长过程。

图7 GaInP薄膜形貌实验与模拟结果的比较

图8 岛的平均原子数与时间的变化情况

图9 岛的平均原子数与温度的变化情况

3 结论

主要采用并行计算的方法对太阳电池薄膜的生长过程进行了模拟计算，同时提出了GaInP薄膜KMC生长的算法。通过相应的数据分布方式和优化后的通信策略，合理地对各进程的负载进行了平衡，同时减少了通信次数和通信量。使用本文的方法可使模拟时间大大降低，提高模拟仿真的效率，同时有效地解决了计算机单机能力不足的问题。经过实验分析可知，模拟所得结果与试验结果相一致，这对今后通过MOCVD生长太阳电池薄膜材料具有一定的指导价值。

参考文献：

[1]徐正元.硅基薄膜太阳电池光学设计的模拟研究[J].电源技术，2013(1)：54-57.

[2]骆志坚，李天广，刘江，等.料浆喷涂法制备纳米晶TiO_2薄膜及其在DSSC中的应用[J].电源技术，2010(4)：387-390.

[3]胡贵华，胡小梅，朱文华，等.MOCVD的GaInP薄膜生长可视化研究[J].系统仿真学报，2009，23：7 498-7 502.

[4]胡贵华，俞涛.GaInP薄膜的金属有机化学气相沉积生长动力学多尺度模拟[J].中国科学：物理学、力学、天文学，2010(9)：1 105-1 114.

[5]刘学杰，任元，孙士阳，等.Ti-Si-N纳米复合薄膜KMC仿真中有效作用势的拟合[J].材料导报，2011，20：149-152.

Development of pressure-tolerant battery management system based on STM32F205 chip

One kind of battery management system(BMS)based on the design of STM32F205 chip for oil-filling lithium-ion battery pack for deep-sea manned underwater vehicle was introduced.The hardware and software design of the system and the selection of components were described in detail.The DC110V/500Ah LiFePO4lithium-ion battery pack with the battery management system was tested with thirty times of normal pressure and five times of 78MPa pressure barrel.Results show that the system is with good reliability and stability,the monitoring functions and communication functions are with better performance,and detection accuracy is the same as in the atmospheric environment.A reference for the follow-up engineering application of the underwater vehicles was provided.

lithium-ion battery；battery management system；oil-filling;underwater vehicle；pressure-tolerant lithium-ion battery pack；deep-sea

TM912

1002-087X(2016)12-2428-04