基于STM32F205芯片的耐壓型電池管理系統的研制

戴國群， 謝建鴻

(北京神州遠望科技有限公司，北京100029)

基于STM32F205芯片的耐壓型電池管理系統的研制

戴國群， 謝建鴻

(北京神州遠望科技有限公司，北京100029)

介紹了一款基于STM32F205芯片設計，應用于深海載人潛航器充油鋰電池組的電池管理系統。詳述了該系統的硬件和軟件設計，以及元器件選型要求。配備該系統的DC110 V/500 Ah磷酸鐵鋰電池組進行了30次陸地常壓試驗和5次78 MPa的壓力筒試驗。試驗結果表明：系統運行穩定，監測與通信功能正常，檢測精度與常壓環境無異，具有較好的性能表現。為后續在潛航器上開展工程化應用提供了參考。

鋰電池；電池管理系統；充油；潛航器；耐壓型電池組；深海

隨著各國對海洋資源、海洋權益的日益重視和對潛航器續航里程的不懈追求，具有高比量、長循環壽命性能優勢的鋰電池，不僅在消費類電子產品領域得到廣泛應用，還被逐漸拓展到了海洋領域[1]。由于潛航器對電壓等級與額定能量要求較高，電池組需由大量的單體鋰電池串聯和并聯組合而成。然而，由于鋰電池抗濫用性能較差，特別是在壓力環境下單體電池更易產生內部短路與局部過熱等問題，給電池組帶來安全隱患。因此，需要電池管理系統對單體電池進行實時監控與管理[2-3]，提前預警與及時保護，確保在使用過程中的安全性與可靠性。同時，由于電池管理系統本身同樣處于壓力環境下，容易因元器件壓壞、焊點脫落等而導致電路失效。因此，研制抗壓性能優異、功能強大與高穩定性的電池管理系統十分必要。

1 系統設計

以載人潛水器用充油磷酸鐵鋰電池組DC110 V/500 Ah(36串)為管理對象，通過硬件與軟件設計，研制在標準大氣壓和78 MPa超高壓的雙模充油環境條件下，具有實時監測電池組容量，過充、過放、過溫、絕緣電阻、膨脹、短路、故障定位與報警、通訊、保護控制、數據記錄、人機交互界面的電池管理系統(以下簡稱系統)。同時，為提高系統的可靠度，在電池組中采取配置雙系統方案，實行雙路同時采集，互為備用。此外，為提高電池組的占空比，系統主從控設成一體式結構。

2 硬件設計

本設計硬件系統包括意法半導體增強型STM32F205R微處理器及其外圍電路、RS485/USB接口、LCD液晶觸摸屏和報警裝置與保護電路等。增強型STM32F205R微處理器是基于ARM 32位ContexTM-M3內核的高速處理器，可實時使程序在Flash中以最高120 MHz頻率運行，能夠實現零等待的執行能力，內置存儲器保護單元，能夠實現高達150DMIPS的性能，此外還包括1 M字節閃存，2個CAN通信、17個定時器、3個ADC、15個通信接口。系統電路原理方框圖見圖1。

(1)供電單元

系統DC24 V輸入，經過濾波降壓成DC5 V/3 A系統，再經過分別隔離降壓供給各種電路，經兩級降壓以減少電源對內部電路干擾。

系統供電共6組：CPU電源(DC3.3 V非隔離)，通訊電源(DC5 V隔離)，電壓采集電源(DC5 V隔離)，溫度采集電源(5 V隔離)，鼓漲檢測采集電源(DC5 V隔離)，電流采集電源(±DC15 V隔離)。

所有隔離電源均采用TI公司DCP01系列隔離模塊。

(2)電壓采集單元

LTC6803-3是凌特公司推出的一款完整的電池監視芯片，包含一個內置12位ADC，一個精確的電壓基準、一個高壓輸入多路復用器和一個串行接口。每個LTC6803可同時測量多達12節串聯連接電池電壓信號，電壓檢測范圍300 mV～5 V，測量誤差低于0.25%。本文采用3片LTC6803-3級聯，組成36路電壓采集通道，與CPU之間經過SPI隔離芯片連接。電壓采集電路圖見圖2。

圖1 系統電路原理方框圖

圖5 絕緣檢測電路圖

圖2 電壓采集電路圖

(3)電流采集單元

電流采集選用分流器，優點是精度高，全金屬材質，耐高壓與油環境。

(4)溫度采集單元

溫度檢測采用NTC薄膜熱敏電阻，測溫范圍－30～125℃，溫度檢測電路與電池檢測電路隔離，防止碰觸電池電極時發生危險。電池組設置3路CD4067B電子開關進行36點溫度檢測，通過CD4067B電子開關將NTC的電壓信號傳輸到STM32F205自帶的ADC端口，將模擬信號轉換成數字信號，計算出熱敏電阻值，根據熱敏電阻值與溫度的關系計算出溫度值。3路 CD4067B電子開關通道的開啟，由STM32F205控制。CD4067B電子開關可同時控制16路數據切換。溫度采集電路圖見圖3。

圖3 溫度采集電路圖

(5)鼓漲采集單元

當單體電池內部有毛刺和異物顆粒存在時，在巨大的外壓作用下，容易刺穿隔膜而形成內部短路，引起電池氣脹和急驟溫升發生，如未能及時監測與控制，電池溫度會不可逆地繼續升高，最終導致“熱失控”發生，使電池組發生燃燒和失電危險，危及潛航員的生命安全。

本文設計的電池鼓脹檢測裝置[4]如圖4所示，電池鼓脹檢測片設于單體電池的表面，當電池鼓脹到一定程度時，相鄰兩鼓脹感應片將觸碰在一起形成通路，由MC33993芯片組成的檢測電路將其轉變為開關量信號，送往STM32F20 5 R微處理器處理，通過顯示屏予以報警提示。鼓漲檢測電路與電池檢測電路需進行隔離，以防止碰觸電池電極時發生危險。

圖4 鼓脹檢測裝置結構示意圖

(6)絕緣檢測

絕緣檢測采用有源檢測方案，如圖5所示，STM32F205R微處理器通過隔離開關，與電池正極、電阻與電池殼體連接，測量正極絕緣電阻；然后再通過隔離開關，與電池負極、電阻與電池殼體連接，測量負極絕緣電阻。

3 軟件設計

(1)采集功能

系統共采集：36節電池電壓、36點溫度及36點電池鼓脹開關量、1路電流、1路絕緣電阻。

(2)通訊功能

系統與充電機通訊和總控制器采用RS485物理接口MODBUS-RTU通訊協議。

(3)數據存儲功能

存儲的數據包含：單體電壓、總電壓、單體溫度、單體鼓漲、電流、充放電狀態報警信息、SOC剩余電量。

存儲策略：當檢測到電池處于充電或放電狀態時每隔1 min存儲一組數據，當檢測到電池靜置時，每隔10 min存儲一組數據，當數據存儲滿后將覆蓋舊信息。數據可通過USB接口在上位機讀取。

(4)控制與保護策略

本文采用安時(Ah)積分法對電池組的荷電狀態進行估算。通過對電池組采樣數據分析，建立數學模型；根據分析結果，確定電池組的荷電狀態和生成相應信息。

在充電過程中，系統將采集到的電壓、鼓脹、溫度、電流及總回路電壓、總電流的數據等數據，通過RS485接口上報給充電機，由充電機自身決定充電管理與處置，管理系統只對嚴重故障做出報警，管理系統無執行權。

在放電過程中，系統除采集功能外，還需要判斷電池狀態，包括欠壓，過流，超溫等，生成相應報警信息通知給總控制器，管理系統無執行權。系統工作原理方框圖和軟件控制策略見圖6、圖7。

圖7 系統軟件控制流程圖

(5)參數可修改

所有可調整的參數均可通過顯示屏進行修改。

(6)顯示

顯示信息包括：總電壓、單體電壓、單體溫度、鼓脹狀態、絕緣狀態、充放電狀態、各種報警狀態與SOC容量。

4 元器件選型

由于系統工作在充油(液壓油或硅油)壓力環境中，因此，不可選用內部非實心元器件(如：電解電容、DC/DC密封模塊等)，否則，元器件容易壓裂而失效。同時，所有元器件和焊接應為無鉛元件，以防止補償油的加速老化。

5 結果與討論

第一次不加電耐壓試驗：共投入10套系統進行78 MPa的加壓試驗，試驗結束后對試驗樣品進行了檢測，其中3套合格，7套不良。對不良樣品進行了解剖與原因分析，結論為電路板元器件裂紋、焊點脫落和虛焊導致。

第二次不加電耐壓試驗：對電路板進行了焊接工藝的優化和元器件的篩選工作，重新制作了10套系統再度進行78 MPa不加電耐壓試驗，試驗結束后對試驗樣品進行了性能檢測，除1套樣品有異常外，其余性能均良好。將上述沒有問題的樣品再度進行第三次78 MPa不加電耐壓試驗。選取第三次試驗后的2套合格系統樣機，將其組裝到試驗電池組內，首先進行30次的陸地充放電試驗，試驗過程中未見異常情況出現。隨后，將上述電池組充滿電吊入壓力筒，進行了5次78 MPa的耐壓試驗，加壓速度為7.8 MPa/10 min，當加壓至45 MPa時，電池組開始以0.2C恒流放電。試驗過程中系統運行穩定、監測與通信功能正常、數據傳輸正常、檢測精度達到設計要求。系統安裝結構見圖8，電池組進入壓力筒試驗前狀態見圖9，系統操作界面見圖10～圖11。

圖8 電池管理系統安裝結構

圖9 電池組進入壓力筒試驗前狀態

圖10 電池管理系統參數設置界面

圖11 電池管理系統信息顯示界面

6 結論

基于STM32F205R芯片設計的電池管理系統，通過合理的電路設計、元器件選型和焊接工藝控制等，實現了在標準大氣壓和78 MPa超高壓的雙模充油環境條件下對電池組的有效監測與控制能力，已基本具備在深海載人潛航器充油鋰電池組上開展工程化應用的技術條件。

[1]戴國群，陳性保，胡晨.鋰離子電池在深潛器上的應用現狀及發展趨勢[J].電源技術，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]戴國群.電池鼓脹智能監控系統：中國，ZL201320456957.8[P].2014-02-19.

圖6 三維GaInP薄膜KMC生長可視化仿真算法

2 實驗結果

以自強3000高性能集群為基礎，在其上選擇一個800× 800×400的晶格空間對本文的并行算法和串行算法生長GaInP薄膜分別進行測試，對結果進行分析可知，當參數相同時二者所得結果相同。雖然在KMC生長算法中需要原子進行較多的邊界查詢，但這樣可使通信量和通信次數大大降低，從而使該算法的效率得到很大的提升。圖7所示為當襯底溫度為997 K、沉積時間為5 min時，實驗和模擬兩種情況下所得GaInP薄膜的形貌圖。圖8所示為當襯底溫度為997 K，實驗和模擬兩種情況下所得單位面積上GaInP薄膜島的平均原子數的變化情況。圖9所示為當襯底溫度變化時，實驗和模擬兩種情況下所得島的平均原子數的變化情況。綜上所述，模擬所得結果與實驗結果相一致，這也說明了本文所提出的模擬方法可真實地反映太陽電池薄膜的生長過程。

圖7 GaInP薄膜形貌實驗與模擬結果的比較

圖8 島的平均原子數與時間的變化情況

圖9 島的平均原子數與溫度的變化情況

3 結論

主要采用并行計算的方法對太陽電池薄膜的生長過程進行了模擬計算，同時提出了GaInP薄膜KMC生長的算法。通過相應的數據分布方式和優化后的通信策略，合理地對各進程的負載進行了平衡，同時減少了通信次數和通信量。使用本文的方法可使模擬時間大大降低，提高模擬仿真的效率，同時有效地解決了計算機單機能力不足的問題。經過實驗分析可知，模擬所得結果與試驗結果相一致，這對今后通過MOCVD生長太陽電池薄膜材料具有一定的指導價值。

參考文獻：

[1]徐正元.硅基薄膜太陽電池光學設計的模擬研究[J].電源技術，2013(1)：54-57.

[2]駱志堅，李天廣，劉江，等.料漿噴涂法制備納米晶TiO_2薄膜及其在DSSC中的應用[J].電源技術，2010(4)：387-390.

[3]胡貴華，胡小梅，朱文華，等.MOCVD的GaInP薄膜生長可視化研究[J].系統仿真學報，2009，23：7 498-7 502.

[4]胡貴華，俞濤.GaInP薄膜的金屬有機化學氣相沉積生長動力學多尺度模擬[J].中國科學：物理學、力學、天文學，2010(9)：1 105-1 114.

[5]劉學杰，任元，孫士陽，等.Ti-Si-N納米復合薄膜KMC仿真中有效作用勢的擬合[J].材料導報，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

A

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

2016-05-21

戴國群(1966—)，男，湖南省人，高級工程師，主要研究方向為潛航器動力電池應用技術。