隨著民用電動車的普及和發(fā)展，防爆電動車也在煤礦逐漸得到推廣和應(yīng)用，鋰電池憑借其在體積、重量、能量密度等方面具有極大優(yōu)勢，已經(jīng)成為電動車能量來源的首選。鋰電池管理系統(tǒng)可以準(zhǔn)確估測電池組的荷電狀態(tài)、動態(tài)監(jiān)測動力電池組的工作狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)單體電池間的均衡[1]、可以保證鋰電池的用電安全，提高鋰電池的續(xù)航能力、延長鋰電池的使用壽命。

目前，煤礦井下的鋰電池管理系統(tǒng)多應(yīng)用于硐室、救生艙的后備電源，這種鋰電池管理系統(tǒng)監(jiān)控的電池串?dāng)?shù)多為8串或16串，遠(yuǎn)小于防爆電動車上數(shù)百串的鋰電池數(shù)量，而且監(jiān)控對像也多為中小容量電池。而應(yīng)用于民用電動車的鋰電池管理系統(tǒng)，在電路設(shè)計上，不適用于煤礦井下環(huán)境；在性能參數(shù)上，不滿足相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心發(fā)布的相關(guān)文件要求。因此研制應(yīng)用于礦用防爆電動車鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)是十分必要的。

針對煤礦特殊的應(yīng)用環(huán)境，根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心發(fā)布的相關(guān)技術(shù)要求，本文設(shè)計了一種礦用防爆電動車鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)，著重闡述了電池成組方式、電池均衡策略及鋰電池管理系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計。

 鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)的組成

防爆電動車鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)主要由主控制單元、單體鋰電池信息采集單元、電池組電流采集、充電樁和整車控制器通訊電路、絕緣電阻采集模塊、輸入輸出繼電器控制、液晶顯示等七部分組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的總體工作流程由主控制單元來進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)。單體鋰電池信息采集單元采集電池的電壓、溫度數(shù)據(jù)并通過SPI總線傳輸給主控制器，主控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的指示和報警動作，如電池過壓報警、欠壓報警、高溫報警、低溫報警等。電池組的放電或充電電流由霍爾電流傳感器按比例轉(zhuǎn)換為電壓信號交給主控制器進(jìn)行采集，結(jié)合電池的電壓、溫度數(shù)據(jù)估算SOC，并控制電池均衡、充電樁啟停、輸入輸出繼電器導(dǎo)通關(guān)斷等。主控制要將采集到單體電池數(shù)據(jù)、電池組電壓、電流及報警信息、絕緣電阻等信息顯示在液晶屏上，并通過CAN總線發(fā)給整車控制器。

電池成組方式驗(yàn)總結(jié)和有益探索

電池典型的成組方式有先串聯(lián)再并聯(lián)和先并聯(lián)再串聯(lián)，如圖2所示。在連接可靠性方面，先串聯(lián)再并聯(lián)的成組方式要優(yōu)于先并聯(lián)再串聯(lián)[2-3]。但是，根據(jù)安標(biāo)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志中心發(fā)布的《礦用隔爆（兼本安）型鋰離子蓄電池電源安全技術(shù)要求（試行）》（以下簡稱安全技術(shù)要求）的相關(guān)規(guī)定，對于礦用隔爆型設(shè)備，禁止鋰離子蓄電池以并聯(lián)連接的形式置于隔爆腔內(nèi)，因?yàn)椴荒鼙ＷC并聯(lián)電池的內(nèi)阻是完全一致的，內(nèi)阻不一致則會導(dǎo)致在充放電時并聯(lián)電池的電流分配不均，電流分配不均又會加劇內(nèi)阻的不一致性，使并聯(lián)電池之間有可能存在互相充電的現(xiàn)象，是一種不安全因素，所以在本設(shè)計中所有電池只能采用串聯(lián)連接的成組方式。

鋰電池類型、容量和數(shù)量器

根據(jù)《關(guān)于礦用產(chǎn)品使用的鋰離子蓄電池安全標(biāo)志管理意見（暫行）》的規(guī)定，在本設(shè)計中使用磷酸鐵鋰電池，此種電池的安全系數(shù)較高，其單體額定電壓為3.2V，在《安全技術(shù)要求》中規(guī)定了運(yùn)輸車輛用電源中鋰離子蓄電池的額定容量不超過100Ah，所以單體電池的最大能量為320Wh，在本設(shè)計中即采用容量為100Ah的磷酸鐵鋰電池，同時在《安全技術(shù)要求》也規(guī)定了電池組總額定能量不能超過32000Wh，所以根據(jù)式（1）

計算可得，在單體電池容量為100Ah時，電池組總串?dāng)?shù)不能超過 100串。

電池均衡策略

在鋰電池的制造過程中，由于制造工藝和材質(zhì)的原因，造成即使是相同批次出廠的同型號電池在電壓、容量和內(nèi)阻等方面存在不一致性，這種不一致性造成成組電池在利用率、使用壽命、安全性等方面的性能遠(yuǎn)不及單體電池[4-5]。但在使用了具有均衡管理功能的電池管理系統(tǒng)后，就能夠大幅提高電池組的整體性能、有效的延長電池組的使用壽命、大大降低整車的使用和維護(hù)成本。

    主要的電池均衡策略分為主動均衡和被動均衡。主動均衡是對電池組在充電、放電或者放置過程中，電池單體之間產(chǎn)生的容量或電壓差異性進(jìn)行均衡，來消除電池內(nèi)部產(chǎn)生的各種不一致性。而在這一過程中，涉及到能量的轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)移一般有兩種方法，一種是將能量高的單體電池能量均衡到能量低的電池，另一種是將電壓（容量）高的單體電池的能量轉(zhuǎn)移給一個備用電池，再由備用電池轉(zhuǎn)移到其它電壓（容量）較低的電池。

    被動均衡的工作原理是通過對電壓的采集，發(fā)現(xiàn)串聯(lián)單體電池之間的差異，以設(shè)定好的充電電壓的“上限閾值電壓”為基準(zhǔn)，任何一只單體電池只要在充電時最先達(dá)到“上限閾值電壓”并檢測出與相鄰組內(nèi)電池差異時，即對電池組內(nèi)單體電壓最高的那只電池，通過并聯(lián)在單體電池的能耗電阻進(jìn)行放電，以此類推，一直到電壓最低的那只單體電池到達(dá)“上限閾值電壓”為一個平衡周期。

主動均衡相比被動均衡，具有平衡電流大，均衡速度快，效率高、能量損耗小的優(yōu)點(diǎn)，但是由于主動均衡技術(shù)復(fù)雜、成本高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜之后故障率也會高所以在本設(shè)計中，采用被動均衡策略。

鋰電池管理系統(tǒng)的硬件設(shè)計

5.1主控單元

本鋰電池管理系統(tǒng)通訊接口較多，而且用于礦用防爆車輛，工作環(huán)境較為惡劣，對主控器在工作溫度、接口數(shù)量等方面要求較同，通過綜合比較，在本設(shè)計中機(jī)采用STM32F105VCT7作為主控單片機(jī)，它是由意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的互連型微控制器，工作主頻可達(dá)72MHz，內(nèi)置ARM Cortex™-M3內(nèi)核，具有2個支持CAN2.0B協(xié)議的CAN總線接口、1個全速USB OTG接口、3個SPI總線接口，其輸出速率最高可達(dá)18MHz，另外還有5個USART接口[6-7]，并且還有2個12位的ADC轉(zhuǎn)換器，可以保證對模擬電壓的高精度采樣。STM32F105VCT7可在-40 °C ~105 °C的溫度范圍內(nèi)正常工作，在一定程度上提高了鋰電池管理系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

5.2電池信息采集的硬件設(shè)計

根據(jù)《安全技術(shù)要求》的規(guī)定，在單體電池容量大于10Ah或電池組總額定能量大于200Wh時，需要有鋰電池管理系統(tǒng)。不僅要檢測電池組的總電壓、總電流和電池組容量，還要檢測所有單體電池的電壓和溫度，并且對這些參數(shù)的測量誤差提出了具體要求，如表1所示[8-9]，對這些測量信息還要具有顯示和故障報警功能。

表1 鋰離子蓄電池（組）參數(shù)測量誤差要求

根據(jù)以上要求，在本設(shè)計中采用美國凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC6804-2芯片來監(jiān)測單體鋰電池的電壓、溫度等數(shù)據(jù)。這是凌力爾特公司研制的第三代電池組監(jiān)視器，一片LTC6804-2最多可以測量12節(jié)電池，12節(jié)電池的連接形式必須為串聯(lián)，對電池電壓的總測量誤差不大于1.2mV，并且可以在290us內(nèi)完成對12節(jié)電池的電壓測量，為實(shí)現(xiàn)高噪聲抑制可采用較低的數(shù)據(jù)采集速率[10-11]。

在一條SPI總線上可掛接多片LTC6804-2，通過相應(yīng)片選信號線進(jìn)行選通，這樣就可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)百串鋰離子電池同時監(jiān)控[9]。因此可以采用8片LTC6804-2來實(shí)現(xiàn)對96串鋰電池數(shù)據(jù)的采集，這樣就可滿足單體電池容量為100Ah時，每個防爆鋰電池箱內(nèi)的鋰電池數(shù)量不能超過100串的要求。

由于一片LTC6904-2可采集以12串鋰電池，所以在本設(shè)計中以12串鋰電池為一個采集組，SPI總線上掛接8片LTC6804-2即可完成對96串的鋰電池的電壓監(jiān)測。

LTC6804-2提供了5個GPIO引腳，它們均可配置為模擬輸入，可以用來采集電池溫度數(shù)據(jù)，GPIO4和GPIO5還可以被配置為接口的SDA和SCL端口。要采集12串電池的溫度信息，5路模擬輸入顯然不能滿足要求，可以增設(shè)多路模擬開關(guān)即可擴(kuò)展模擬通道。模擬開關(guān)使用凌力爾特公司生產(chǎn)的LTC1380芯片，它是一個8路模擬選擇器，并且還具有接口，正好可以連接至LTC6804-2的GPIO4 和 GPIO5形成的接口上，要測量12路模擬信息，使用兩片LTC1380即可滿足要求，并且需要將GPIO1配置為模擬輸入。

將一個10K的精確電阻與一個NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)相串連，一端接地，另一端連接至LTC6804-2的VREF2引腳，形成一個典型的分壓電路，通過測量計算可知NTC電阻，再通過查表即可得知此電池的溫度數(shù)據(jù)，在每一串電池的極耳上固定這樣一個電路即可測得每一串電池的溫度。

LTC6804-2的S1引腳至S12引腳可以用于對單體電池做被動均衡。如果一串電池中的某一節(jié)過度充電，S引腳可驅(qū)動一個外部的P溝道的MOSFET開關(guān)器件來控制合適的放電電阻對單體電池進(jìn)行放電，達(dá)到被動均衡的目的。

5.3 電池組電流采集電路

由于鋰電池組輸出電流很大，電流可能達(dá)到100A以上，在誤差允許范圍內(nèi)，采用了北京森社電子生產(chǎn)的CHB-200TF閉環(huán)霍爾電流傳感器，其最大誤差為0.3%小于表1中關(guān)于電池組電流誤差0.5%的規(guī)定。

霍爾電流傳感器按2000:1的比例把電池組電流縮小，為方便主控制器采樣并減小采樣誤差，通過高精度采樣電阻把此等比縮小的電流值轉(zhuǎn)變電壓值，再經(jīng)運(yùn)算放大器放大到一定倍數(shù)后，供主控制器的AD進(jìn)行采集。由于既要采集鋰電池組的放電電流，還要采集其充電電流，所以此運(yùn)算放大器不但要指示被檢電流的幅值，還要能指出被檢電流的方向，即此電流為放電電流還是充電電流。

凌力爾特公司生產(chǎn)的LT1999-10可滿足上述要求，它可以工作在-40℃~125℃的整個溫度范圍內(nèi)，增益誤差低于0.5%，輸入失調(diào)電壓保證低于1.5mV[12]。

5.4 數(shù)據(jù)存儲電路

在實(shí)際使用中，鋰離子電池管理系統(tǒng)要存儲電池組電壓、電流、電池組SOC、充電電壓、充電電流等重要信息，以便下次啟動時可直接加載，并且還要存儲系統(tǒng)運(yùn)行日志，為此需要一片外部FLash芯片來存儲這些數(shù)據(jù)，此Flash芯片的型號為AT45DB641，由adesto公司生產(chǎn)，其存儲容量為64Mbit即8M bytes，通過SPI總線與主控單片機(jī)STM32F105VCT7相連。

鋰電池管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本鋰電池管理系統(tǒng)中除了有采集電池電壓、溫度、電流和電池均衡等對實(shí)時性要求很高的任務(wù)外，還有兩路CAN通訊、液晶顯示、輸入輸出控制等多個任務(wù)，鑒于系統(tǒng)較為復(fù)雜，所以在鋰電池管理系統(tǒng)中，需要實(shí)時操作系統(tǒng)對這些任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，在本設(shè)計中采用的是國產(chǎn)的RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)。

6.1 RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)

RT-Thread是一款由中國開源社區(qū)主導(dǎo)開發(fā)的開源嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（遵循GPLv2許可協(xié)議），它不光包含有實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核，還有一些很具特色的外圍組件，如SPI總線標(biāo)準(zhǔn)接口、優(yōu)化過的文件系統(tǒng)、USB協(xié)議棧、Finsh Shell等，內(nèi)核和外圍組件均可通過配置文件進(jìn)行配置和裁剪[13]。

RT-Thread實(shí)時操作的內(nèi)核采用ANSI C語言編寫，移植性很強(qiáng)，適合于多種體系結(jié)構(gòu)的處理器和編譯器，用戶可以按需要對其配置和裁剪，此實(shí)時操作系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，具有一套名為Finsh Shell的交互工具，類似于Linux 平臺下的在命令行的操作接口，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)調(diào)試、查看各任務(wù)或線程的運(yùn)行情況，如剩余堆棧、任務(wù)狀態(tài)，還可以將一些參數(shù)信息實(shí)時打印出來[14]，給開發(fā)者提供了極大的方便，這些優(yōu)點(diǎn)使它在眾多實(shí)時操作系統(tǒng)中脫穎而出，得到廣泛應(yīng)用，也受到國內(nèi)很多大專院校、企業(yè)及開發(fā)者的認(rèn)可，目前 RT-Thread 已經(jīng)支持在STM32F105VCT7平臺上運(yùn)行。

綜上可以看出，RT-Thread實(shí)時操作系統(tǒng)的各項功能，完全可以調(diào)度和運(yùn)行采集電池電壓、溫度、電流等信息、電池均衡、CAN通訊、液晶顯示等任務(wù)。

6.2 主要線程設(shè)計

在本系統(tǒng)中，共設(shè)計了6個線程，以滿足鋰電池管理系統(tǒng)的各項功能，分別是系統(tǒng)上電初始化線程、主控制器與LTC6804-2通訊線程、充電和電池均衡線程、主控制器與整車控制器的CAN通訊線程、與絕緣電阻檢測模塊的CAN通訊線程和液晶顯示線程等。下面主要介紹初始化線程、主控制器與LTC6804-2通訊線程、充電與電池均衡線程等3個線程的工作流程。

①系統(tǒng)上電初始化線程的主要功能是在系統(tǒng)剛上電時，初始化必要的硬件外設(shè)如串口、系統(tǒng)時鐘、SPI總線接口、CAN總線控制器等及系統(tǒng)內(nèi)核、fatFS文件系統(tǒng)和Finsh Shell等系統(tǒng)組件，并進(jìn)行系統(tǒng)自檢，如絕緣電阻是否超限、與LTC6804-2通訊是否正常等。

② 主控制器與LTC6804-2的通訊線程的主要功能是獲取相應(yīng)電池采集組各單體電池的電壓和溫度數(shù)據(jù)，每100ms與一片LTC6804-2通訊一次，800ms完成對所有電池電壓、溫度數(shù)據(jù)的采集，獲取到這些數(shù)據(jù)后，要判斷是否有電池過壓、欠壓、高溫、低溫，是否有過壓保護(hù)失效、欠壓保護(hù)失效以及電壓、溫度采集線開路的故障情況，并要做出相應(yīng)的報警指示。流程圖如圖9所示。

③ 充電與電池均衡線程的主要功能是與充電樁通訊，設(shè)定充電電壓、電流、充電時間等，控制充電樁的啟停，并根據(jù)電池的電壓和溫度數(shù)據(jù)，控制電池均衡，直至有電池達(dá)到上限閾值電壓并且最高電壓與最低電壓的差值小于設(shè)定值，并完成充電過程中的SOC估算，

結(jié)語

在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)和安標(biāo)國家礦用安全標(biāo)志中心相關(guān)文件的前提下，設(shè)計了礦用防爆車鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際測試，此鋰電池管理系統(tǒng)能夠有效地提高電池的一致性，延長電池組的續(xù)航時間和電池壽命，并且具有數(shù)據(jù)采樣精準(zhǔn)，采樣速度快，SOC計算準(zhǔn)確，電池均衡速度快的優(yōu)點(diǎn)。

另外，針對鋰離子蓄電池管理系統(tǒng)安裝在防爆腔體內(nèi)，不便維護(hù)的特點(diǎn)，還設(shè)計了CAN bootloader引導(dǎo)程序，可以通過CAN總線對鋰電池管理系統(tǒng)進(jìn)行升級維護(hù)，極大地減少了現(xiàn)場維護(hù)的工作量。