魚類馴化裝置電池組管理系統(tǒng)研究

陳慕瑞，楊菲菲，黃大志

（江蘇海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，江蘇連云港，222005）

0 引言

近年來(lái)，海洋漁業(yè)的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為全球沿海國(guó)家共同關(guān)注的主題[1]。實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)化的根本核心是解決魚類行為控制與馴化技術(shù)，所以需要設(shè)計(jì)一種無(wú)人值守式魚類自動(dòng)馴化裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)海洋牧場(chǎng)內(nèi)科學(xué)的魚類馴化，裝配圖如圖1 所示，簡(jiǎn)化模型如圖2 所示。然而，馴化裝置的設(shè)計(jì)和使用卻面臨很多挑戰(zhàn)，其中之一就是如何實(shí)現(xiàn)裝置的自主供能，以保障魚類生長(zhǎng)環(huán)境的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效益的可持續(xù)性。

圖1 魚類馴化裝置裝配圖

圖2 魚類馴化裝置簡(jiǎn)圖

由于海洋牧場(chǎng)的環(huán)境限制，不可能隨時(shí)保證蓄電池的能源供應(yīng)充足，為了避免馴化的中斷，同時(shí)也為了解決蓄電池能源不足時(shí)的更換問(wèn)題，計(jì)劃采用太陽(yáng)能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電[1]，以保證馴化設(shè)備的正常工作。太陽(yáng)能是一種清潔無(wú)污染的自然能源，太陽(yáng)輻射出的大部分是光能，這種光能可以用光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電能[2]，因此，本課題采用太陽(yáng)能系統(tǒng)為蓄電池進(jìn)行充電。不過(guò)，在利用太陽(yáng)能充電時(shí)，需避免蓄電池反充與過(guò)充現(xiàn)象[3]，所以需要設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)來(lái)防反充和過(guò)充，以及對(duì)蓄電池進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，以免影響蓄電池的使用壽命[4]。

國(guó)外的發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)電源管理系統(tǒng)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟。美國(guó)通用公司為電動(dòng)汽車開(kāi)發(fā)的“EVI”型電源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電池的電壓、電流、溫度，還可以實(shí)現(xiàn)電量里程的估算，發(fā)生過(guò)充過(guò)放時(shí)能夠進(jìn)行報(bào)警提示[5]。Smart Guard 電源管理系統(tǒng)是由美國(guó)Aerovironment 公司研發(fā)，其特點(diǎn)是采用了分布式來(lái)采集電池的一些參數(shù)，如電壓、電流，還可以估算出單體電池的剩余電量，能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)過(guò)充電，增加了電池組的安全性[6]。雖然國(guó)內(nèi)對(duì)電源管理系統(tǒng)的研究起步較晚，清華大學(xué)研制的輕型電動(dòng)客車的電源管理系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電池的電壓、電流和溫度，并設(shè)計(jì)了配套的充電系統(tǒng)，能夠進(jìn)行過(guò)充過(guò)放保護(hù)[7]。惠州億能電子公司所研發(fā)的電動(dòng)汽車電池組管理系統(tǒng)它的應(yīng)用面很廣，能夠管理多種類型的電池，能夠采集到電池的電壓、電流、溫度等信息[8～9]。

本文研究設(shè)計(jì)了一種魚類馴化裝置電池組智能監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)，將太陽(yáng)能板與電池管理系統(tǒng)相結(jié)合，并運(yùn)用于魚類馴化裝置上，使得在無(wú)人監(jiān)管的情況下也能使得裝置自行運(yùn)行，并且可以通過(guò)藍(lán)牙模塊，使用手機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該電池管理系統(tǒng)能夠完成電池組信息的采集，準(zhǔn)確地估算出電池的剩余電量，控制充放電電路實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，對(duì)電池進(jìn)行均衡管理，最后將電壓、電流、溫度和電池剩余電量等信息顯示在上位機(jī)界面，方便人員對(duì)電池組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

1 電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 功能需求

鋰離子電池單體電池容量有限，考慮到魚類馴化裝置實(shí)際應(yīng)用，所設(shè)計(jì)的BMS 可以管理 6 個(gè)串聯(lián)電池單元，并具有以下幾點(diǎn)功能：

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集對(duì)BMS 而言非常關(guān)鍵，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。只有獲取到電池狀態(tài)參數(shù)，BMS 才可以準(zhǔn)確分析出電池組的運(yùn)行情況。BMS 需要采集數(shù)據(jù)包括電池組工作電流、單體電池電壓和溫度，采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)具備實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的特點(diǎn)。

（2）安全保護(hù)

惡劣的工況條件和錯(cuò)誤的操作行為，可能導(dǎo)致電池組處于高溫、過(guò)充電和過(guò)放電等不良狀態(tài)，使得電池內(nèi)部發(fā)生不可逆的反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致電池使用年限大幅度縮減，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致安全問(wèn)題。BMS 應(yīng)當(dāng)提供電壓保護(hù)、電流保護(hù)和溫度保護(hù)，確保電池運(yùn)行過(guò)程中的安全可靠。

（3）均衡管理

由于生產(chǎn)工藝的限制，電池組的不同單體電池的性能參數(shù)會(huì)存在一定的差異隨著使用時(shí)間增加，這種不一性會(huì)累積到一種可觀的程度[10]。這可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)別電池處于異常狀態(tài)，進(jìn)而影響整個(gè)電池組的使用安全和效率。應(yīng)當(dāng)能夠?qū)Ξ惓ｋ姵剡M(jìn)行均衡管理，使得電池組的不一致保持在一定的范圍內(nèi)。

（4）SOC 估算

SOC（State of charge）是BMS 高效運(yùn)行的重要參數(shù)之一，其估算值的精度對(duì)充分發(fā)揮鋰離子電池的性能具有十分重要的意義，BMS 要求能夠?qū)崿F(xiàn)電池SOC 的估算[11]。

（5）數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)傳輸主要包括兩個(gè)過(guò)程，采集模塊首先將電池狀態(tài)參數(shù)傳輸至MCU，MCU 對(duì)數(shù)據(jù)處理后再將數(shù)據(jù)傳輸至顯示界面，便于使用者了解電池組運(yùn)行狀況。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在電池管理系統(tǒng)中，根據(jù)控制器之間的關(guān)系，可以分為集成式和分布式兩類。集成式電池管理系統(tǒng)的核心控制器直接完成數(shù)據(jù)采集，包括電池單體電壓采集、溫度采集、電池組總電壓采集、電池總電流采集，以及數(shù)據(jù)處理[12]。分布式架構(gòu)一般應(yīng)用于多模組結(jié)構(gòu)的電池管理系統(tǒng)，該架構(gòu)將系統(tǒng)的主要功能模塊劃分到了主板與多個(gè)從板中，模塊化的結(jié)構(gòu)不僅使得模組裝配過(guò)程更加簡(jiǎn)單，而且有利于優(yōu)化電池組內(nèi)部數(shù)據(jù)采樣線束的排布方案[13]。本文從線束布置簡(jiǎn)單、維護(hù)方便的角度出發(fā)，選擇分布式電池管理系統(tǒng)架構(gòu)。

1.3 電池管理芯片選型

本文電池管理芯片采用上海中穎電子股份有限公司生產(chǎn)的專用電池管理芯SH367309，管腳配置圖如圖3 所示。該芯片具有高精度的電壓采集性能以及延時(shí)時(shí)間范圍，而且能夠配置許多類型的電池，最多可管理 16 個(gè)電芯單元。考慮到本文所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)需要管理6 個(gè)串聯(lián)電池單元，因此選用一個(gè) SH367309 芯片作為模塊的控制核心。

圖3 管腳配置圖

1.4 總體設(shè)計(jì)方案

在確定魚類馴化裝置BMS 的功能需求和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)后，本文給出了如圖4 所示的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。

圖4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)為主、從分布式結(jié)構(gòu)，受控模塊以電池管理芯片為核心，主要負(fù)責(zé)電池組的數(shù)據(jù)采集、均衡管理和安全保護(hù)，主控模塊以 STM32 單片機(jī)為核心，負(fù)責(zé)接收從屬模塊采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行SOC 估算，同時(shí)將電池狀態(tài)信息傳輸?shù)斤@示界面。

2 電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)方案

本小節(jié)所設(shè)計(jì)的電池管理系統(tǒng)是包括從屬模塊和主控模塊的分布式結(jié)構(gòu)，如圖5 所示，從屬模塊和主控模塊之間采用I2C（Inter-Integrated Circuit）通訊方式。

圖5 電池管理系統(tǒng)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)

從屬模塊以兩個(gè)專用鋰電池管理芯片SH367309 為核心，結(jié)合外圍電路對(duì)電池組進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、均衡管理和充放電控制，其中電池管理芯片負(fù)責(zé)6 個(gè)電池單元的電壓檢測(cè)及均衡管理、整個(gè)電池組的電流及溫度檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的安全保護(hù)。主控模塊是以 STM32 單片機(jī)為核心的智能數(shù)據(jù)盒，如圖5 所示。主控模塊通過(guò) I2C 接口接收從屬模塊的采集數(shù)據(jù)，并且具有藍(lán)牙模塊，結(jié)合配套的微信小程序可以將采集和處理的電池信息傳遞到移動(dòng)端界面，如圖6 所示。

圖6 移動(dòng)端界面

2.2 均衡管理方案

電池組的均衡管理是為了解決電池組中單體電池的能量差異而提出來(lái)的一種管理方式[17]，均衡管理的核心思想就是通過(guò)采集到的單體電池的信息，分析出每個(gè)電池的能量差異大小，采用電池均衡方法使每個(gè)電池的能量在同一時(shí)刻盡可能保持一致[18]。本文均衡電路采用的是以電壓為均衡判斷變量，具有成本低和能耗少的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 均衡與電壓采集電路

SH367309 芯片可以同時(shí)采集16 串單體電池電壓，對(duì)應(yīng)芯片上的VC1～VC17 引腳。V1～VC17 接電池組，其中VC1 接總負(fù)，VC17 接總正，其中1k 電阻為采樣電阻，作為采集電池電壓的電阻，C53 電容用來(lái)濾波退耦。均衡電路的運(yùn)行過(guò)程是，先調(diào)節(jié)好SH367309 的寄存器，調(diào)節(jié)完成均衡參數(shù)后啟動(dòng)均衡功能。當(dāng)SH367309 檢測(cè)到電池的電壓大于電池均衡電壓，芯片啟動(dòng)內(nèi)部均衡回路，以第一串電池為例，第一串正接2 引腳，負(fù)接1 引腳，此時(shí)NPN 導(dǎo)通，如圖7 所示，以此類推，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)r114 作為泄放電阻并聯(lián)到電池組兩端與電池組形成回路，從而消耗一定電量，實(shí)現(xiàn)電路的均衡。本管理系統(tǒng)使用六串三元鋰電池串聯(lián)，VC7～VC17 通道使用0R 電阻短接。

圖7 均衡與電壓采集電路

2.4 電流采集電路

SH367309 芯片中存在16 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊CADC，其轉(zhuǎn)換頻率等于4Hz，1 通道雙端分輸入，其芯片引腳為18（RS1）、19（RS2），引腳的輸入電壓在-0.3V～+0.3V范圍內(nèi)。選取電池管理芯片1 的RS1、RS2 引腳能夠直接獲取工作電流，如圖8 所示。為了保證電池組的應(yīng)用安全以及使用年限，電池管理系統(tǒng)設(shè)置電池組的最大工作電流不得超過(guò) 50A，考慮到芯片引腳的輸入電壓范圍，通過(guò)并聯(lián)3 個(gè)0.004R 的電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻的采樣。

圖8 電流采集電路

2.5 溫度采集電路

此電路具體選用了熱敏電阻，其能夠直接傳輸電壓信號(hào)，便于AD 轉(zhuǎn)換。SH367309 芯片具有3 路溫度采集通道，分別對(duì)應(yīng)引腳20（T1）、21（T2）、22（T3）。本系統(tǒng)采用阻值10k，B 值（25℃/50℃）3950k 的熱敏電阻，設(shè)計(jì)了3 路溫度采集電路，如圖9 所示。T1、T2、T3 依次獲取電池組溫度、電池箱溫度以及電機(jī)溫度。

圖9 溫度采集電路

2.6 充放電控制電路

SH367309 芯片內(nèi)置有MOS 管驅(qū)動(dòng)電路，直接利用芯片的IO 口就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)MOS 管的驅(qū)動(dòng)，充電和放電控制路線基本相同。如圖10 所示，DSG 是放電MOS 控制端，放電方向從電池總正到電池總負(fù)，當(dāng)給34 引腳高電平時(shí)，MOS 管導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電池組給負(fù)載供電，此時(shí)充電MOS 一直導(dǎo)通，不需要進(jìn)行控制。CHG 是充電MOS 控制端，當(dāng)給36 引腳高電平時(shí)，充電MOS 導(dǎo)通，此時(shí)放電MOS 一直導(dǎo)通，電流從電池總正到電池總負(fù)，實(shí)現(xiàn)充電。

圖10 充放電控制電路

3 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體方案

上海中穎電子股份有限公司為用戶提供了SH367309芯片專用的軟件系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)采集、均衡管理、安全保護(hù)等功能設(shè)置，系統(tǒng)操作界面如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)操作界面

STM32F103C6T6 為主MCU 使用IIC 通信與SH367309通信，實(shí)現(xiàn)讀寫SH367309 相應(yīng)寄存器達(dá)到讀取電池電壓，電流，溫度等相應(yīng)數(shù)據(jù)。SH367309 自身具有硬件保護(hù)，保護(hù)參數(shù)需要通過(guò)中穎WRITE TOOLS II 軟件寫參數(shù)即可，此時(shí)MCU 只負(fù)責(zé)將相關(guān)信息上傳至上位機(jī)平臺(tái)。

3.2 電池參數(shù)獲取程序設(shè)計(jì)

SOC（State of charge），即荷電狀態(tài)，用來(lái)反映電池的剩余容量，其數(shù)值上定義為剩余容量占電池容量的比值，常用百分?jǐn)?shù)表示，其取值范圍為0～1，當(dāng)SOC=0 時(shí)表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1 時(shí)表示電池完全充滿。本電池管理系

統(tǒng)所使用的SOC 就是電壓百分比，比如單節(jié)電芯的電壓范圍一般為2800mV～4200mV，簡(jiǎn)單地將其從這個(gè)范圍劃分0 到1，從而做出簡(jiǎn)單的電量預(yù)測(cè)。

3.3 藍(lán)牙傳輸程序設(shè)計(jì)

主控模塊采用的藍(lán)牙型號(hào)為HC08，在藍(lán)牙傳輸程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先讓 HC08 進(jìn)入AT 模式，設(shè)置藍(lán)牙名稱，匹配密碼，調(diào)節(jié)主從模式，調(diào)節(jié)波特率，之后退出AT 模式，通過(guò)主控模塊內(nèi)的 STM32 單片機(jī)向連接藍(lán)牙串口的設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，相關(guān)流程如圖12 所示。

圖12 藍(lán)牙連接流程圖

4 電池管理系統(tǒng)功能驗(yàn)證

電池管理系統(tǒng)的模塊實(shí)物圖如圖13 所示，以6 個(gè)串聯(lián)的三元鋰離子電池組為測(cè)試對(duì)象，電池管理系統(tǒng)連接圖如圖所示。電池組和從屬模塊之間通過(guò)排線連接，如圖14 所示使用萬(wàn)用表分別測(cè)量每個(gè)電池兩端電壓并觀察此時(shí)上位機(jī)的電壓數(shù)值。

圖13 模塊實(shí)物圖

圖14 使用萬(wàn)用表測(cè)量電池電壓

4.1 數(shù)據(jù)采集功能驗(yàn)證

表1 為在三種不同的情況下分別測(cè)量六個(gè)電池的電壓情況并同時(shí)記錄下此時(shí)上位機(jī)的采集值，表2 為單體電池電壓測(cè)量值和采集值的誤差，測(cè)量值采用萬(wàn)用表直接測(cè)量單體電池所得，采集值由從屬模塊采集所得。由表2 可以看出，電壓采集誤差為毫伏級(jí)別，最大采集誤差為0.019V，標(biāo)準(zhǔn)偏差最大為0.012V。

表1 單體電池電壓測(cè)量值與采集值

表2 單體電池電壓測(cè)量值與采集值誤差

4.2 均衡管理功能驗(yàn)證

在均衡管理測(cè)試之前先觀察是否有電池因?yàn)殡姵氐牟灰恢滦远鴮?dǎo)致的電壓過(guò)高。如果存在某一節(jié)電池電壓過(guò)高，開(kāi)啟均衡管理，過(guò)一段時(shí)間再記錄電池組每一節(jié)單體電池的電壓，觀察電壓過(guò)高的電池是否已經(jīng)恢復(fù)到正常電壓。

從表3 的數(shù)據(jù)可以看出，在開(kāi)啟均衡控制之前第1 節(jié)電池的電壓過(guò)高，然后開(kāi)啟均衡管理功能并過(guò)一段時(shí)間再進(jìn)行測(cè)量，電池組最大壓差由 0.174V 減小為0.006V，均衡管理功能正常。

表3 開(kāi)啟均衡后單體電池電壓測(cè)量值

5 結(jié)論

本文根據(jù)魚類馴化裝置的實(shí)際需求，明確了分布式BMS 的整體設(shè)計(jì)方案，完成了以專用鋰電池管理芯片SH367309 為核心的受控模塊的數(shù)據(jù)采集、均衡管理、充放電控制等電路設(shè)計(jì)，根據(jù)接口定義完成BMS 實(shí)物連接，以6 串三元鋰電池組為測(cè)試對(duì)象，對(duì)數(shù)據(jù)采集、均衡管理進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的BMS 達(dá)到了魚類馴化裝置的基本使用要求。