基于嵌入式技术的矿用锂离子电池电源管理系统设计

李松++李硕++孙彦景

摘 要：文中采用嵌入式技术设计了一种锂电池管理系统对煤矿井下锂电池组进行监控与管理，具体包括电池管理系统硬件设计、嵌入式软件设计和上位机软件设计。本系统通过监视电池组的热、电等多种参数来实现对电池组的充放电管理与均衡保护，并通过按时计量法估算电池荷电状态，从而最大程度保护电池组，增加电池的使用时间，延长循环寿命。

关键词：嵌入式技术；锂电池；电池管理系统；荷电状态

中图分类号：TP39；TN85 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）07-00-04

0 引 言

近年来，由于锂电池具有较高的比能量和比功率，使用寿命长，绿色无污染等显著特点，使得锂电池在各个行业得到广泛应用[1]。在煤矿行业，由于井下条件恶劣，停电情况时有发生，为保障井下照明、监控等系统的正常运行，除了需要电厂双路供电外，还需要配备为锂电池供电的备用电源系统[2]。虽然锂电池单体使用寿命较长，但组成电池组容量会快速衰减，另外由于锂电池自身的化學性质比较复杂，过充过放对电池的性能和寿命影响很大[3]。在煤矿井下，大容量锂电池过充电或过放电会产生高温，产生不安全因素，在使用时需要进行均衡管理。因此，本文研究设计了一种锂电池管理系统（Battery Management System， BMS）对煤矿井下的锂电池组进行监控与管理。本系统通过监视电池组的热、电等多种参数来实现对电池组的充放电管理与均衡保护，从而最大程度保护电池组、增加使用时间并延长循环寿命。

1 总体设计

矿用锂电池管理系统用于对矿井下的电池组进行智能管理，通过检测电池组的温度、电流、电压等信息对电池组进行充放电管理、均衡控制以及报警保护，以保障电池组稳定、安全的运行。系统总体设计如图1所示。

本系统设计了电压采集模块、电流采集模块、温度采集模块、显示模块来完成对电压、电流、温度等信息的采集并在显示屏上显示，以反映电池组的运行状态。另外本系统设计保护电路、报警电路以及均衡电路，当电池组在工作过程中出现过压、过流、过温等异常状态时，保护电路通过控制继电器实现充放电电路的断开与闭合，完成对系统的保护，此时报警电路发出报警，提示系统出现异常需要处理或修复。而均衡电路则用于完成对电池组内各不均衡单体电池的电量均衡，使异常单体电池与其他电池的电量特性趋于一致。

2 硬件设计

本电池管理系统为矿用锂电池电源设计，根据《矿用隔爆（兼本安）型锂离子蓄电池电源安全技术要求》，本电池管理系统应当有采集、保护、均衡和显示与报警等功能。为满足上述要求，选用微控制器与专用电池管理芯片组合的设计方案。电池管理芯片（LTC6803）自身具有均衡控制功能和A/D转换功能，可以完成电池均衡和单体电池电压采集。该方案电路设计简单，成本较低，可以对所需电池状态信息进行实时采集显示，可数字化控制。

2.1 硬件总体结构设计

为满足矿用锂电池电源管理所需功能，系统硬件设计主要包括微控制器、电流采集模块、温度采集模块、电压采集模块、均衡电路、异常保护与报警电路、显示电路。此外，为实现矿用电源设备的远程监控管理，需要与矿井监控中心通信，所以需要通信电路模块。

硬件总体结构如图2所示。

（1）微控制器的主要功能是协调各模块完成信息交互，电池电压、电流、温度等信息的采集，电池均衡控制，电池状态信息显示，系统过流、过压、过温等异常状态保护和报警等功能，是整个系统工作的核心控制部分；

（2）电流采集、温度采集和电压采集电路用于完成电流、温度、电压等反映电池运行状态的数据信息采集；

（3）均衡电路用于完成电池组内各个单体电池的电量均衡，使异常单体电池与其他电池的电量趋于一致；

（4）LCD显示模块用于显示电池组和电池组内各个单体电池的运行状态；

（5）保护电路用于控制继电器完成对系统工作过程中出现的过压、过流、过温等异常状态的保护；

（6）报警电路用于对系统工作过程中出现过压、过流、过温等异常状态时进行报警；

（7）通信电路用于完成系统与监控管理上位机、充电机或其它外围设备的通信。

2.2 电流与温度采集电路

电流采集为系统的荷电状态（SOC）估算、过流保护以及数据显示提供电流数据。电流采集方案有分流器和霍尔电流传感器两种，本系统选用霍尔电流传感器FS100EK1进行电流采集。霍尔电流传感器是根据霍尔效应制成的一种磁场传感器，用它采集电流的优点是精度高，电路设计简单。霍尔效应是指当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差。本系统将霍尔电流传感器输出的电压滤波整流后接到微处理器，利用微处理器STM32的ADC端口采集电压值，通过霍尔传感器输出电压与电流值之间的转换公式计算最终电流值。

温度对矿用锂电池的工作状态影响很大，若温度不合适，不仅会导致电池的充放电量减少，而且在温度过高的环境下可能会导致锂电池爆炸，所以温度采集电路非常重要。本系统采用负温度系数热敏电阻（Negative Temperature Coefficient，NTC）、多路选通开关CD4067和微处理器STM32自带的ADC完成温度采集。CD4067是一种数字控制的16路模拟开关，具有开启电阻低、关断漏电流小和内部进行地址解码等优点，可以控制16路模拟信号的切换。

温度采集电路如图3所示，电路中采用精度为1%、阻值为10 kΩ的定值电阻与精度为5%、阻值为10 kΩ的NTC电阻组成分压电路。微控制器STM32控制CD4067依次将16路NTC两端电压传送给STM32微处理器自带的ADC采集端口，顺序采集16路NTC电阻分压值，进而通过软件计算出相应的电阻值，再通过NTC电阻阻值和温度的对应关系计算出温度值。每路温度信号输入端都增加一个电解电容，用于滤除电路干扰，提高采样精度。

2.3 电压采集与均衡电路

电压采集是电池管理的关键，电压信号的准确性直接影响着系统SOC估算精度和均衡控制。本系统电压采集电路由电池管理芯片LTC6803及其相关外围电路构成。LTC6803是凌力尔特公司推出的锂离子电池监视芯片，该芯片主要包含一个12位的A/D转换器、一个精确的电压基准、一个高压输入多路复用器和一个1 MHz的SPI串行接口。单个LTC6803芯片能够测量12节锂电池的电压，可在13 ms内完成电池组内所有单体电池的电压测量。本系统采用两片LTC6803芯片采集16节磷酸铁锂电池电压，两个芯片以菊链的方式连接，与微控制器STM32的SPI接口相连。STM32与LTC6803之间通过SPI串行总线接口进行通信，通过SPI总线可以直接从LTC6803寄存器中读取电压数据。

电池组容量与寿命的缩短主要原因是电池组内各单体电池的充放电不均衡，这种不均衡现象会随电池使用次数的增多而变得越来越大。为了解决电池组内各单体电池之间充放电不均衡的问题，电池管理系统需要均衡电路。本系统均衡电路由LTC6803和外部均衡电路构成，微控制器通过LTC6803对均衡电路进行控制。LTC6803芯片本身具有电池均衡电路，但其均衡电阻在芯片内部长时间均衡会造成芯片发热，严重时可能烧坏芯片，且芯片内部均衡電阻阻值较大，均衡放电时均衡电流较小，均衡效果较差，所以本系统需要在LTC6803的外部重新设计电阻均衡电路。

系统均衡电路如图4所示，LTC6803的C1、C0引脚分别通过一个100 Ω的限流电阻R150和R151与电池B1的正负极相连，C1、C0引脚分别接一个7.5 V的稳压二极管D24和D25用于保护LTC6803芯片，C1与C0之间的电压差即为电池B1的电压，LTC6803的S1引脚通过一个3.3 kΩ的限流电阻与P沟道MOS管Q1的栅极相连，电阻R15是均衡电阻。在充电时，当电池B1电压高于均衡开启电压时STM32微控制器通过SPI总线向LTC6803发送开启均衡指令，LTC6803通过控制S1引脚的电平打开MOS管Q1，使电池B1通过电阻R15均衡放电。

3 软件设计

本系统使用STM32F107作为主控制器基于μC/OS系统进行编程，对电池组进行实时监测和在线控制。系统的主要任务有电池电压、电流、温度采集，SOC估算，电池组均衡保护以及报警，采集板与上位机间的通信。

系统首先使用采集模块实时检测单体电池的电压、温度及电池组总电压、总电流等信息并在LCD显示屏显示，通过采集的数据判断是否需要均衡保护。然后通过SOC估算程序计算出电池SOC，再通过电流方向判断应对电池组充电还是放电，充电时，自动进行充电均衡，放电时，设置SOC最小门限值，解决电池过放问题。最后将采集的数据保存到Flash存储芯片中，使用CAN总线将保存的数据传输到上位机。系统软件总流程如图5所示。

3.1 SOC估算策略

目前电池SOC估算方法较多，常用的有安时计量法、内阻法、负载电压法、神经网络法、卡尔曼滤波法等，上述几种电池SOC估算方法各有特点，鉴于实际工程应用中实现的成本和算法难易程度，本系统采用安时计量法与负载电压法相结合的方法来估算电池的SOC。安时计量法是目前最常用的电池SOC估算方法，其计算公式如下：

（1）

式（1）中，SOC为当前时刻的电池荷电状态，SOC0为充放电起始时刻电池荷电状态，CN为电池额定容量，η为充放电电流方向（充电时该值为正，放电时该值为负）。

在电池进行充放电过程中用安时计量法对电池的充放电电流在时间上进行积分，得出充放电的电量，然后与电池标称容量相除再加上起始时刻电池SOC0，得出电池的当前SOC。此外，在电池充满或放完电时用负载电压法来判定电池电量是否为满或为空，以此可在每一次充放电循环后进行SOC校正，从而得出较为准确的电池SOC。

当电池组在充电时对其实施充电均衡，当电池组放电时设置电池组SOC最小值以及单体电池的放电电压最小值，若电池组SOC低于最小值或单体电池的放电电压最小值时停止放电，这样可有效解决电池组中单体电池过充和过放问题，从而增加电池组放电效率并延长电池组使用寿命。

3.2 CAN总线通信

系统通过CAN总线将电池管理系统的状态信息传输到上位机，上位机可在线查询电池组的工作状态，包括电池电压、温度、电流、SOC、当前状态等信息。

CAN通信的设计由CAN初始化程序、接收程序和发送程序三部分组成。CAN总线采用中断方式接收数据，并对接收的数据进行和校验，以确保上位机与电池管理系统通信的正确性。CAN发送程序嵌入定时器中，每隔1 s发送一次电池状态信息，然后在主程序中进行数据更新。以此即可完成电池管理系统与上位机之间的通信。

3.3 上位机软件设计

上位机监控软件主要是对电池管理系统进行在线监控，实时显示电池的状态信息，并可以通过发送指令的方式对电池管理系统进行参数设置。上位机通过串口使用转换模块连接到CAN总线，然后再与下位机电池管理系统进行通信，用于查看电池的电压、电流、温度、SOC、工作状态、报警信息，还可以远程设置电池管理系统的过充保护电压、过放保护电压、充放电过流保护电流、欠压报警等系统参数信息，便于对电池管理系统进行远程监控与设置。上位机软件界面如图6所示。

4 结 语

本矿用锂电池管理系统采用STM32F107作为主控制器，LTC6803芯片作为电池管理芯片，具有实时性好，精确度高，性能好等特点。本系统完成了对电子组电流的采集、单体电池电压的采集、温度检测、电池荷电状态的估算，根据采集的信息对电池进行均衡保护，并设计了上位机软件与电池管理系统进行通信，实现远程监控电池管理系统。本系统能保障煤矿井下电池组稳定安全的运行，减少了煤矿井下的不安全因素，延长了电池使用寿命。

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