基于WINCE的多功能電池管理系統的設計

朱冬華 杜海江

（中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

蓄電池作為直流備用電源，在交通運輸、通信等傳統領域，對系統安全可靠運行有著非常重要的作用[1]；另外在在微電網等新能源發電領域，蓄電池作為儲能單元，是維持微網系統電壓穩定的關鍵，同時也是微網系統中比較薄弱的環節[2]。為避免蓄電池在長期使用中因品質問題而引發事故，帶來經濟損失[3]，需要一套功能完善的蓄電池管理系統對電池進行在線監控。

而傳統的蓄電池管理系統大多只有監測功能，僅僅是實時監測電池組電流、電壓和溫度，部分含有均衡技術[4]，在蓄電池日益頻繁使用的今天，此類管理系統很明顯不能保證蓄電池的穩定可靠運行。本文旨在設計一套功能完善的蓄電池管理系統，對蓄電池的充放電環節進行監控，適時進行均衡和活化管理，提高蓄電池的使用效率，延長其使用壽命，降低整個系統的運行成本，進一步提高電池組的可靠性。系統基于WINCE嵌入式平臺，采用分層和功能化設計，包含數據采集、充放電控制、均衡控制、活化控制、SOC估算、報警與保護、數據顯示與處理多種功能，可以具體應用選擇組合功能模塊，具有通用性。

1 蓄電池管理系統模塊設計

本文蓄電池管理系統采用兩層結構，如圖1所示，底層為物理層，包含數據采集，充放電控制，電池均衡；上層為電池管理系統主控制模塊。

圖1 電池管理系統結構示意圖

1.1 底層物理層模塊

底層物理模塊是系統的主要功能的硬件實現部分，系統包括數據采集模塊、充放電控制模塊、均衡控制模塊。每個模塊通過485通信與主控模塊相連，通過主控模塊的控制，每個模塊可以單獨運行或配合使用。

數據采集模塊：是整個蓄電池管理系統的基礎，負責對蓄電池組的基本信息進行采集，如蓄電池組的電壓、電流、溫度和各個單體電池的電壓，并通過通信母線將數據上傳到主控模塊，充放電控制模塊和均衡控制模塊也可以通過通信母線獲得蓄電池組的基本信息。

充放電控制模塊：實現對電壓、電流的控制，該模塊可以包含在系統中，也可以由外部充放電控制器實現。

均衡控制模塊：當電池組出現不均衡時，均衡電路開始工作，直到滿足均衡停止的條件。

1.2 上層電池管理系統主控制模塊

上層電池管理系統主控制模塊是整個系統的核心，底層的每個模塊通過主控模塊：監控整個蓄電池組的運行狀態，顯示、分析與處理電池數據。其主要作用是設置系統的控制工作方式和工作參數，并在主界面中顯示當前和歷史電池主要信息，是BMS與用戶交流的重要平臺。

2 蓄電池管理系統功能分析

通過主控制模塊的設置和各功能模塊的組合，可以使該電池管理系統在大多數運行條件下正常運行。該系統的功能主要分為以下6個方面：

1）數據采集與分析、處理：主要包括對電池組電壓、電流、溫度等基本信息的采集，電池組的信息是電池管理的基礎，顯然，所有電池管理系統都包含數據采集功能模塊。

2）充放電控制：蓄電池充電或放電時，蓄電池管理系統能根據所檢測的電流、電壓、溫度、SOC等參數，確定蓄電池組的充電或放電狀態。根據蓄電池的充電特性與維護要求，可以控制充電機的充電過程，實現智能充電，充放電方法由主控模塊提供，充放電控制模塊實現功率控制。

3）活化功能：對于性能下降的單體電池可以通過控制充放電過程實現對電池的活化修復，活化方法由主控模塊提供，充放電控制模塊實現功率控制。

4）均衡控制：電池組在使用過程中會出現各個單體不均衡現象，當單體蓄電池的SOC差值超過設定限值時，均衡控制模塊開始工作，直到SOC差值小于限值，均衡啟動的條件由主控模塊控制，各單體電池的 SOC的估算可以由主控模塊完成，也可以由均衡控制模塊完成。

5）SOC估算：根據蓄電池運行過程中的基本參數，估算蓄電池組的剩余容量，由主控模塊完成。

6）報警與保護功能：蓄電池在使用過程中，如果有個別蓄電池損壞或電壓低于正常使用電壓，蓄電池管理管理系統自動報警，并顯示有關信息，以便操作者及時更換蓄電池。如果蓄電池電壓超過充電上限或放電下限值，則停止充放電并報警，保護蓄電池不過充、過放；若蓄電池溫度過高則報警并打開風扇，從而提高系統的可靠性，延長整個蓄電池組的使用壽命。報警與保護功能由主控模塊實現。

3 基于WINCE的主控模塊實現

主控模塊為電池管理系統的重要組成部分，其主要作用是設置系統的控制工作方式和工作參數，并在主界面中顯示當前和歷史電池主要信息，是BMS與用戶交流的重要平臺。主控模塊基本功能包括：顯示功能，通信功能，控制功能，基于WINCE的嵌入式平臺，采用Visual Basic設計工具初步實現了所設計功能，歷史數據采用SQLCE數據庫。

本文以主流嵌入式處理器 AT91SAM9263作為主控制器，其主頻 200MHz，核心板板載 64MB SDRAM，256MB NandFlash，4MB DataFlash，6層板工藝，具有極佳的電氣性能和抗干擾性能，才有3.3V電壓供電。

嵌入式系統Windows CE具有可靠性好、實時性高、內核體積小的特點，不僅支持圖形窗口，具有多媒體功能，而且還可以利用豐富靈活的控件庫。在Windows CE環境下為嵌入式應用建立各種圖形用戶界面，完全可以滿足工業控制系統對人機界面的需求。

3.1 主控模塊數據庫設計

主控模塊的數據庫包含4個表：表1為變量參數表，包含系統所需的各類工作參數；表2為事件日志表，包括時間和事件兩個量；表3為歷史參數表，包括時間、電池序號、電壓、電流和溫度5個字段。表4為從站地址表，包括序號、地址、從站類型和故障標志4個字段。根據分析采用SQLCE數據庫。

微軟推出SQL SEVER數據庫，功能強大，使用方便。其針對嵌入式設備的版本為SQL SEVER FOR CE，簡稱SQLCE。它是一個小型的數據庫產品，旨在幫助企業迅速開發出能夠將數據管理能力延伸到移動設備上的應用。SQLCE具備強大的檢索查詢能力，它支持用戶熟悉的結構化查詢語言 SQL，提供了與SQL Seerver一致的開發模型和AAPI，使得移動應用的開發過程更為簡單。具體函數有創建數據表函數CreateDatabase，添加表函數CREATTE TABLE，查詢記錄函數SEELECT，修改函數updatee等。

3.2 主控模塊功能實現

用實物搭建蓄電池管理系統后，用 Microosoft Platform Buuilder 5.0訂制好WINCEE 5.0系統，并下載到ARM99上。然后用VB2005編寫出整個監控系統的測試界面，從而下載到WINCEE系統中，測試監控系統的功能和運行控制效果。

1）顯示功能

系統顯示功能包括主監控界面，參數修改，詳細數據查詢。如圖2所示。

圖2 主控模塊顯示功能示意圖

2）通信功能

主控模塊通過485通信線實現與下位機通信。通過基本參數修改中的通信參數界面設置建立與從站的串口通信。用戶通過參數修改界面，設置電池的額定電壓、容量、保護值、充電電壓電流等各種工作參數。通過工作模式的選擇，實現對系統的調度。

3）控制功能

主控模塊有兩種工作模式，分別是自動模式和手動模式。其中自動模式指系統啟動后按預定的工作方式和預定的參數自動工作，手動模式需手動啟動，才能運行當前工作方式。工作方式分充電、放電、均衡、活化，其中均衡能與其他三項同時運行。

4 實驗及結果分析

為了驗證電池管理系統的有效性和可靠性，按照圖1搭建實驗測試平臺，進行聯合調試實驗。各功能模塊單元與ARM板上的主控單元通過 485串口通信連接，根據選擇的充放電單元與均衡模塊，在主控界面中設定系統的充放電參數及均衡模式，并通過主界面中開關按鈕，控制系統的運行。系統運行主界面如下，基本信息顯示當前工作模式和工作狀態、開機時間和當前時間，主界面下半部分以表格和柱形圖形式顯示各個單體電池實時參數。

圖3 系統運行主界面

實驗結果表明，該電池管理系統設計功能全面，通用性強，能夠實現多種狀況下電池的正常監測與控制，保證蓄電池的穩定可靠運行。

5 結論

本文針對現有電池管理系統功能不夠全面、通用性不強的問題，本系統基于WINCE和ARM平臺，設計了一套功能全面的電池管理系統。本系統采用分層結構和模塊化設計，包含了數據采集、充放電控制、均衡控制、活化控制、SOC估算、報警與保護、數據顯示與處理多種功能，并可根據需求靈活組合，可以應用在微電網儲能系統，電動汽車充電場合，具有通用性和靈活性。

[1]雷晶晶,等.動力鋰離子電池管理系統的研究進展[J]].電源技術,20010(11).

[2]關曉慧,呂躍剛.間歇性可再生能源發電中的儲能技術研究[J].能源與節能,20111(02).

[3]符曉玲,商云龍,崔納新. 電動汽車電池管理系統研究現狀及發展趨勢[J].電力電子技術,2011,45(112):27-31.

[4]岳仁超,王艷.電池管理系統設計[J].低壓電器, 2010(3)::31-34.