基于ARM的磷酸鐵鋰電池組自動巡檢方案

陳業(yè)歡，韋冰奇，鄧鈺川

（中國移動通信集團(tuán)廣西有限公司北海分公司，廣西 北海 536000）

0 引 言

面向5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，積極開展電源配套設(shè)備的改造升級，滿足網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需要。隨著磷酸鐵鋰電池在通信網(wǎng)絡(luò)中的規(guī)模應(yīng)用，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢愈加凸顯。磷酸鋰電池具有重量輕、占地面積小、高倍率放電容量損失小、工作溫度范圍較寬以及循環(huán)壽命高等技術(shù)特點。與傳統(tǒng)鉛酸電池比較，節(jié)約了機(jī)房空間，便于更多主設(shè)備部署，同時可調(diào)高機(jī)房溫度，節(jié)省空調(diào)耗電，降低機(jī)房PUE，有條件的地區(qū)還可結(jié)合BMS功能進(jìn)一步開展“削峰填谷”應(yīng)用，節(jié)省站點電費。目前，通信行業(yè)新建匯聚機(jī)房、基站、室外一體化機(jī)柜等動力配套，已逐步采用磷酸鐵鋰電池作為后備電源，基于高級精簡指令集（Advanced RICS Machine，ARM）的鋰電池組巡檢儀方案解決磷酸鐵鋰電池在使用過程中的隱患發(fā)現(xiàn)率低、可維護(hù)差等短板問題[1]。

蓄電池組作為直流不間斷供電系統(tǒng)和交流不間斷供電系統(tǒng)的后備電源，當(dāng)市電停電時，由蓄電池組保障供電，確保業(yè)務(wù)不掉電。因原廠設(shè)計及成本問題，現(xiàn)網(wǎng)中磷酸鐵鋰電池模塊沒有人機(jī)交換液晶窗口，這給作業(yè)人員帶來極大不便利性。以某機(jī)房為例：該機(jī)房配置2組磷酸鐵鋰電池組（600 Ah/每組），每組由12個磷酸鐵鋰電池模塊并聯(lián)構(gòu)成，每個模塊采用16只3.2 V電芯串聯(lián)集成。按照維護(hù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每月須對蓄電池組進(jìn)行一次15～30 min放電測試，每年需要對蓄電池組進(jìn)行一次5～10 h率核對性容量放電實驗。測試過程需對電芯數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，傳統(tǒng)記錄方式為電話后臺監(jiān)控人員核對或個人計算機(jī)（Personal Computer，PC）連接逐個讀取磷酸鐵鋰電池模塊。因監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳平臺存在較長時延以及PC連接逐個讀取效率低等問題，無法實時掌握鋰電池模塊電芯數(shù)據(jù)變化，往往造成對磷酸鐵鋰電池組整體性能誤判[2]。

1 設(shè)計方案

1.1 電池管理系統(tǒng)

電池管理系統(tǒng)（Buttery Management System，BMS），如圖1、圖2所示為磷酸鐵鋰電池模塊管理和保護(hù)的核心組件，每個磷酸鐵鋰電池模塊均內(nèi)置有BMS。BMS主要由直流/直流轉(zhuǎn)換電路、微控制器（Microcontroller Unit，MCU）處理單元、電壓采集電路、電流采集電路、溫度采集電路、充放電MOSFET管理電路、通信模塊以及LED顯示等組成。各電路采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU處理單元進(jìn)行處理與分析，遵循Modbus協(xié)議格式約定，通過RS485串口向外界傳遞信息，同時也支持設(shè)定參數(shù)反向修改。

圖1 BMS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 BMS管理單元

1.2 方案總框架

現(xiàn)網(wǎng)中磷酸鐵鋰電池模塊大部分未含液晶屏，模塊的狀態(tài)只能通過指示燈狀態(tài)進(jìn)行判斷。如需進(jìn)一步解讀指示燈狀態(tài)含義，往往需要借助PC讀取BMS數(shù)據(jù)或查閱說明手冊，大幅度降低了維護(hù)效率。磷酸鐵鋰電池模塊通過BMS，在遵循RS485接口Modbus協(xié)議約定條件下，向外界傳遞信息（電芯電壓、電芯溫度、剩余容量荷電狀態(tài)、參數(shù)設(shè)定值等）。因多個磷酸鐵鋰電池模塊并聯(lián)安裝在同一機(jī)柜內(nèi)，上下模塊之間通信口采用級聯(lián)方式，多模塊級聯(lián)后在機(jī)柜頂部引出T+、T-串口線與動環(huán)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)（Field Supervision Uniti，F(xiàn)SU）相連，從而實現(xiàn)動環(huán)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控。本方案優(yōu)點在于不影響原動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，在機(jī)柜頂部設(shè)計一個與T+、T-串口線并聯(lián)的快速接線端，便于使用巡檢儀時快速接入。在Modbus協(xié)議約定中，一條總線只允許存在一個主機(jī)，從機(jī)可設(shè)置多個。故設(shè)FSU為主機(jī)，巡檢儀及BMS均為從機(jī)。按程序設(shè)定，F(xiàn)SU每間隔1 min完成一次機(jī)柜內(nèi)鋰電池模塊數(shù)據(jù)讀取，當(dāng)FSU發(fā)送讀取指令，對號鋰電池模塊才進(jìn)行應(yīng)答，應(yīng)答的內(nèi)容發(fā)布在串行總線上。在此應(yīng)答過程中，巡檢儀始終扮演“監(jiān)聽”角色，如圖3所示“監(jiān)聽”到的數(shù)據(jù)經(jīng)過巡檢儀ARM處理器分析后向手機(jī)App傳遞，使用App查閱數(shù)據(jù)提高了現(xiàn)場作業(yè)人員維護(hù)效率及隱患處理率，進(jìn)一步推進(jìn)磷酸鐵鋰電池應(yīng)用，保障通信電源系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠運行[3]。

圖3 方案框架示意

1.3 硬件設(shè)計及軟件設(shè)計

（1）硬件設(shè)計。巡檢儀采用樹莓派開發(fā)板作為核心電路，如圖4所示，其CPU為ARM Cortex-A72，內(nèi)存為 4G LPDDR4，無線網(wǎng)卡為 2.4 GHz和 5.0 GHz IEEE 802.11ac，電源輸入可通過 USB-C 連接器 5 V DC電源，為便于攜帶測試，本方案內(nèi)置可充電電池，內(nèi)置電池可連續(xù)供電72 h。樹莓派開發(fā)板是一款體積小、功能強(qiáng)大的硬件，支持多種格式協(xié)議，相關(guān)引腳根據(jù)需求可靈活配置多路串口，串口能實現(xiàn)工業(yè)通信Modbus協(xié)議約定。巡檢儀通過快速接口并入動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，能實時對總線進(jìn)行監(jiān)聽，不影響主機(jī)與其他從機(jī)之間對話，1 min完成一次數(shù)據(jù)輪詢采集，該時間約定由FSU主機(jī)決定，如提高采集頻次可調(diào)整采集間隔時間。巡檢儀對各磷酸鐵鋰電池模塊BMS應(yīng)答的數(shù)據(jù)均移入ARM處理器進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)經(jīng)解讀處理后通過Wi-Fi向手機(jī)APP傳遞，便于現(xiàn)場維護(hù)作業(yè)人員對磷酸鐵鋰電池組性能評估。

圖4 樹莓派開發(fā)板及巡檢儀成品

（2）軟件設(shè)計。巡檢儀上部署JDK，其運行程序及App均采用Java語言編寫，手機(jī)App分5個功能模塊Wi-Fi連接、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、告警信息、系統(tǒng)設(shè)置。巡檢信息豐富，包含電芯電壓、電芯溫度、健康狀態(tài)（State Of Health，SOH）、容量荷電狀態(tài)（State Of Charge，SOC）、循環(huán)次數(shù)等信息，具備告警設(shè)置功能以及報表統(tǒng)計自動生成功能，相關(guān)報表格式可根據(jù)維護(hù)作業(yè)要求進(jìn)行設(shè)定。當(dāng)基本參數(shù)設(shè)置完成，巡檢儀進(jìn)入自動巡檢狀態(tài)，數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議約定時間進(jìn)行同步更新。

2 設(shè)計方案應(yīng)用及效益

磷酸鐵鋰電池組在通信行業(yè)中存在多種品牌，因各個品牌之間原始文本協(xié)議存在差異，需逐個品牌進(jìn)行協(xié)議解析，通過原廠提供原始文本協(xié)議，目前主流品牌均已完成解析，支持多品牌應(yīng)用。該方案已在50個機(jī)房上推廣應(yīng)用，已大幅度提升維護(hù)作業(yè)效率及隱患排查率，保障了通信電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運行。

2.1 維護(hù)作業(yè)

以某機(jī)房為例，傳統(tǒng)維護(hù)作業(yè)，每月須對蓄電池組進(jìn)行1次放電測試并記錄電芯數(shù)據(jù)，記錄385條電芯數(shù)據(jù)，每年進(jìn)行1次蓄電池組核容放電測試，每小時記錄數(shù)據(jù)1次，記錄3 465條電芯數(shù)據(jù)。上述維護(hù)作業(yè)數(shù)據(jù)均靠人工抄錄，作業(yè)效率低。應(yīng)用此設(shè)計方案后，作業(yè)報表根據(jù)需求排版，App設(shè)置數(shù)據(jù)記錄間隔時間，數(shù)據(jù)根據(jù)設(shè)置時間進(jìn)行存盤，無需人工記錄，App實現(xiàn)自動化采集，大幅度提升維護(hù)作業(yè)效率。應(yīng)用方案前，月度作業(yè)測試需2人配合，1人測試，1人記錄，因人工記錄的工作量大，每天只能進(jìn)行8組電池測試。應(yīng)用方案后，無需人工記錄，每天每1人可進(jìn)行24組電池測試。利用技術(shù)手段進(jìn)行電池組智能化管理，在減少人工情況下，提升3倍效率，實現(xiàn)降本增效[4]。

2.2 隱患排查

在集中化動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)上，數(shù)據(jù)定時記錄存盤會占用大量硬件存儲空間，為避免造成建設(shè)成本投入過大，按動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)B接口規(guī)范，F(xiàn)SU往動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)平臺送的數(shù)據(jù)只有磷酸鐵鋰電池組總電壓及電芯電壓，其他數(shù)據(jù)FSU已全量解析但未上送。未上送的數(shù)據(jù)包含電芯溫度、SOH、SOC、循環(huán)次數(shù)、告警值、BMS保護(hù)值設(shè)定等。為更好地檢查電池組健康度，檢查BMS性能是否完善，每月利用巡檢儀對上述數(shù)據(jù)校對，解決了作業(yè)人員現(xiàn)場查看全量數(shù)據(jù)難等問題，同時避免電池組存在隱患導(dǎo)致熱失控風(fēng)險。App界面如圖5所示。

圖5 App部分界面

2.3 系統(tǒng)創(chuàng)新點

基于ARM的磷酸鐵鋰電池組自動巡檢方案中的巡檢儀屬于便攜式設(shè)備，即用即插。其創(chuàng)新點在于不影響動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，硬件改動幅度小，利用Modbus工業(yè)通信協(xié)議進(jìn)行二次開發(fā)，將磷酸鐵鋰電池BMS中關(guān)注度低的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，做到全面維護(hù)。設(shè)計方案大幅度降低了人工維護(hù)成本，提升了機(jī)房安全管理率，有良好的經(jīng)濟(jì)效益及安全效益[5]。

3 結(jié) 論

該方案硬件構(gòu)造簡單，軟件設(shè)計靈活，投入成本低，因設(shè)計為便攜式，一個巡檢儀可以多機(jī)房使用，同時本方案后期二次開發(fā)可應(yīng)用到其他智能產(chǎn)品上。