林 峰，楊 棟，張曉新

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

0 引言

因舊式能源的污染問(wèn)題及其儲(chǔ)藏量減少等因素，新式能源受到人們高度關(guān)注。鋰電池由于其容量大、壽命長(zhǎng)、使用安全、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的運(yùn)用。有鑒于此，沈陽(yáng)某實(shí)驗(yàn)室研制了一種利用鋰電池的新型電動(dòng)飛機(jī)。

但是由于鋰電池的電壓和容量很難做到非常大，所以只能把大量的鋰電池串聯(lián)起來(lái)使用。又由于鋰電池具有明顯的非線性、不一致性和時(shí)變特性，使其在長(zhǎng)期充放電過(guò)程中由于各單體電池間充電接受能力、自放電率和容量衰減速率等的差異影響，容易造成組中電池之間的離散性加大，性能衰減加劇，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生威脅安全的后果[1]。所以在電池充放電時(shí)，一定要注意對(duì)其進(jìn)行均衡，而且放電時(shí)的穩(wěn)定性尤為重要，否則電動(dòng)飛機(jī)的安全性能將大幅降低。對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)，鋰電池與傳統(tǒng)燃料的最大區(qū)別就是鋰電池能量的不可預(yù)知性，鋰電池飛機(jī)不像使用航空煤油的飛機(jī)那樣可以精確地獲知里程，因此鋰電池飛機(jī)的飛行具有危險(xiǎn)性。而BMS可以通過(guò)鋰電池的一些參數(shù)算出SOC，而僅僅知道SOC也無(wú)法解決飛機(jī)里程的問(wèn)題。因?yàn)轱w機(jī)在不同的飛行狀態(tài)下能量的消耗有著巨大的差別。所以不僅要顯示出SOC，還要提示駕駛員在各種不同的制動(dòng)飛行狀態(tài)下飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間。實(shí)際上飛機(jī)中電池的健康狀態(tài)（State of Health，SOH）比汽車中更加重要。一旦電池出現(xiàn)問(wèn)題，必將導(dǎo)致重大事故?；诖松系姆N種原因，為了提高飛機(jī)安全性能引入電池管理系統(tǒng)是必不可少的。而在BMS中，為了獲得精確的SOC值，就必須測(cè)量鋰電池的某些參數(shù)如電池電壓、電池電流和電池溫度，所以精確的數(shù)據(jù)采集模塊是首要的。

1 數(shù)據(jù)采集模塊

1.1 電壓采集

該電動(dòng)飛機(jī)為了獲得足夠的動(dòng)能，把72塊電池串聯(lián)在一起供飛機(jī)使用。為了在電池充放電時(shí)不引起過(guò)充、過(guò)放和電池電量的不一致，就要了解每一塊電池的實(shí)時(shí)電壓，故而選用了電池管理芯片LTC6804，其可以一次測(cè)量12塊電池的電壓，且每塊LTC6804可以通過(guò)一個(gè)菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)連接在一起，所有電池電壓可以一次性全部測(cè)量，且測(cè)量誤差極小，一般在1.2 mV以下。單個(gè)LTC6804的電池電壓測(cè)量電路如圖1所示。

圖1 電壓采集

1.2 電流采集

LTC6804輔助ADC輸入（GPIO引腳）可用于任何模擬信號(hào)，包括那些來(lái)自產(chǎn)生兼容電壓的各種有源傳感器的信號(hào)。其中用于BMS的一個(gè)典型范例就是霍爾電流傳感器測(cè)量電流。LEM-dhab系列霍爾電流傳感器是由LEM公司應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的新一代電流傳感器，dhab系列傳感器最適用于測(cè)量直流、交流和脈沖電流，主要應(yīng)用于大功率、低電壓的電路。原邊電路（大功率）和副邊電路（電子電路）之間采用電氣隔離設(shè)計(jì)。原理如下：該傳感器采用一個(gè)5 V電源供電，然后原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，其副邊電流精確地反映原邊電流，LEM-dhab傳感器把副邊電流作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2轉(zhuǎn)化為與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列進(jìn)行相同的數(shù)字化處理。

1.3 溫度采集

溫度對(duì)于電池的容量有著不小的影響，一般來(lái)說(shuō)25℃～30℃環(huán)境下電池容量最大。所以為了解決溫度對(duì)SOC估計(jì)的影響，電池環(huán)境溫度是一個(gè)非常重要的因素。而且電池在過(guò)充和過(guò)放的時(shí)候，溫度可能會(huì)有比較劇烈的波動(dòng)，所以電池管理系統(tǒng)必須對(duì)電池的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)控。LTC6804具有溫度采集功能，但實(shí)際上需要測(cè)量比其路數(shù)更多的信號(hào)，故增設(shè)一個(gè)多路復(fù)用（MUX）電路來(lái)支持更多的信號(hào)數(shù)目。電路如圖2所示。該電路可采用GPIO ADC對(duì)多達(dá)8個(gè)輸入源信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，而MUX控制則由3個(gè)配置為I2C端口的GPIO線路提供。緩沖放大器可以幫助選定信號(hào)快速恢復(fù)穩(wěn)定，以增加可用的轉(zhuǎn)換速率。

2 均衡模塊、通信模塊和微控制器

2.1 均衡模塊

圖2 溫度采集

LTC6804采取控制內(nèi)部MOSFET或外部MOSFET的方法來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行均衡。為獲得更大的放電電流，提高放電效率，通常采用外部均衡。如圖3所示，LTC6804利用S管腳內(nèi)部的上拉電阻驅(qū)動(dòng)外電路的P道溝MOSFET的柵極，從而使電量從高電壓電池轉(zhuǎn)移到低電壓電池，達(dá)到均衡的目的。

圖3 均衡電路

2.2 通信模塊

由于通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過(guò)多個(gè)LAN進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，該系統(tǒng)使用控制器局域網(wǎng)絡(luò) （Controller Area Network，CAN）。CAN總線能夠有效地應(yīng)對(duì)采集數(shù)據(jù)數(shù)量大、種類多的特點(diǎn)。

2.3 微控制器

本文以Atmel公司生產(chǎn)的ATmega8單片機(jī)作為微控制器。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī)。AVR單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令同時(shí)訪問(wèn) （讀寫）兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期。因此，AT-mega8可以達(dá)到接近1 MIPS/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍。

3 SOC測(cè)量原理

SOC是電池組的最主要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù)，它直接顯示電池的剩余電量。所以有很多的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究。目前研究SOC的主要方法有：放電實(shí)驗(yàn)法、安時(shí)積分法、開路電壓法、負(fù)載電壓法、電池內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2]。這些方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)：放電實(shí)驗(yàn)法是在實(shí)驗(yàn)室中常溫條件下以恒定的電流放電，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是需要大量時(shí)間，且不能用在工作的電池上；開路電壓法是在電池充分靜置后測(cè)量電池的開路電壓，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算SOC簡(jiǎn)單易行，缺點(diǎn)是電池不能處于工作狀態(tài)中，無(wú)法在行駛的飛機(jī)上使用；安時(shí)積分法是把電池看成是一個(gè)黑匣子，不管其內(nèi)部到底怎樣，簡(jiǎn)單地認(rèn)為其放出量等于其充入量，該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單，可在線計(jì)算，缺點(diǎn)是無(wú)法計(jì)算初始值，且因其是積分的，所以其誤差也無(wú)法得到修正；負(fù)載電壓法是在電池工作時(shí)測(cè)量其電壓，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)地估計(jì)SOC，缺點(diǎn)是飛機(jī)飛行狀態(tài)不同，其負(fù)載上的電壓會(huì)劇烈地波動(dòng)，從而導(dǎo)致負(fù)載電壓法應(yīng)用困難；電池內(nèi)阻法是通過(guò)測(cè)量電池的內(nèi)阻來(lái)獲知其SOC，其優(yōu)點(diǎn)是在SOC較高或較低時(shí)相當(dāng)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是測(cè)量行駛飛機(jī)上電池的內(nèi)阻比較困難，且不同批次電池的內(nèi)阻差異較大；卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是新型的測(cè)量方法，是系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好，能夠不停地修正誤差，缺點(diǎn)是對(duì)于鋰電池的模型精度和BMS統(tǒng)籌計(jì)算能力要求較高；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，通過(guò)模擬人腦的推理、設(shè)計(jì)、思考、學(xué)習(xí)等智能行為，解決和處理復(fù)雜問(wèn)題，其優(yōu)點(diǎn)是能夠模擬任何電池的動(dòng)態(tài)特性，缺點(diǎn)是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計(jì)誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。根據(jù)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種以開路電壓法來(lái)獲知電池的初始SOC，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行以能量為核心的安時(shí)積分法，最后為了解決安時(shí)積分法帶來(lái)的誤差，采用卡爾曼濾波法通過(guò)充放電倍率、電池溫度、自放電損耗和電池循環(huán)次數(shù)等方法來(lái)對(duì)誤差進(jìn)行修正。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 LTC6804的配置

在微控制器上電或復(fù)位后，首先通過(guò)SPI口初始化LTC6804，主要是設(shè)置 SPI的通信速率、LTC6804的ADC工作模式。根據(jù)其讀、寫時(shí)序可以寫出LTC6804的配置程序，程序如下：

4.2 電流采集程序設(shè)計(jì)

霍爾電流傳感器通過(guò)作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2把信號(hào)在與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列中進(jìn)行數(shù)字化處理，從而達(dá)到與電壓同步的效果。然后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)存在輔助寄存器A中，從寄存器中讀出來(lái)的數(shù)據(jù)共 16位，記為 DATA1，G1V為 GPIO1的電壓，I為被測(cè)電流。計(jì)算公式如下：

4.3 總體程序設(shè)計(jì)

如圖4所示，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，測(cè)量電池的電壓、電流和溫度。然后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC的估算，并對(duì)電池所處狀態(tài)進(jìn)行分析、顯示。最后通過(guò)總線傳到上一級(jí)，完成對(duì)電池組的監(jiān)控。

圖4 總體流程設(shè)計(jì)

5 數(shù)據(jù)與分析

本文采用麥格納公司為電動(dòng)汽車生產(chǎn)的大容量的鋰電池作為測(cè)量載體，采用安捷倫公司生產(chǎn)的34970A數(shù)據(jù)采集器作為輔助測(cè)量?jī)x器。表1是電池測(cè)量的一些數(shù)據(jù)。

表1 電池測(cè)量數(shù)據(jù)

由上表數(shù)據(jù)可知，LTC6804的測(cè)量誤差小于0.05%，符合設(shè)計(jì)需求，由圖5可知電池在電壓范圍3.0 V～3.5 V之間儲(chǔ)能極少，且電動(dòng)飛機(jī)飛行時(shí)所需動(dòng)能極大，故可推測(cè)出電池電壓達(dá)到3.5 V時(shí)會(huì)急劇下降，所以本文將SOC的初始值預(yù)設(shè)為3.5 V，并且利用高斯擬合得出一個(gè)開路電壓的公式 0.96×exp（-（（volt-1.58）/0.81）2）+0.5×exp（-（（volt-0.48）/0.66）2）：經(jīng)計(jì)算得知此公式誤差約為0.8%，可以使用。由圖6（a）可知電池在充電時(shí)充入35 kW/10 s能量，放電時(shí)放出32.4 kW/10 s能量，可以推測(cè)出電池?fù)p耗約為 7.5%。由圖6（b）可知，電池在常溫下放出22 kW/10 s能量，-20℃時(shí)放出15 kW/10 s能量，可以推測(cè)出溫度對(duì)電池影響極大，約為32%。由圖6（c）可知，電池在-20℃時(shí)放出 15 kW/10S能量，而這時(shí)卻充入約23.9 kW/10S能量，影響約為38%，基本上等于電池?fù)p耗和溫度損耗之和。由圖6（d）可知，電池在充電時(shí)充入39.2 kW/10S能量，然后放置了約50天，放電時(shí)放出37.8 kW/10S能量，可以得知此次損耗約為9.5%。除去原來(lái)得知的電池7.5%的損耗，電池在50天的自損約為2%。

圖5 電壓—SOC曲線

圖6 各種情況與放電的比較

6 結(jié)論

本文采用ATmega8來(lái)控制信號(hào)和計(jì)算數(shù)據(jù)，利用高精度采集芯片LTC6804采集電壓、電路、溫度等信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)等到的結(jié)果來(lái)對(duì)電池當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，使精度進(jìn)一步提高；然后分析飛機(jī)處于哪種飛行狀態(tài)，這樣就可以提示飛機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)的準(zhǔn)確飛行時(shí)間。經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有使用價(jià)值。

[1]ARAI J，YAMAUCHI S.Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electricvehicles[J].Journal of Power Sources，2005，146（1-2）：788-792.

[2]麻友良，陳全世，齊占寧.電動(dòng)汽車用電池 SOC定義與檢測(cè)方法 [J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，41（11）：27-35.