鋰電池管理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) — 鋰電池管理系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

4.1鋰電池管理系統(tǒng)的軟件框圖

4.2鋰電池管理系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

硬件電路確定以后，控制系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)能否正常可靠的工作，除了與硬件的合理設(shè)計(jì)外，與功能完善的軟件設(shè)計(jì)也是分不開的。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)控制系統(tǒng)要求分析軟件要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，然后進(jìn)行軟件的總體設(shè)計(jì)，包括程序總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。按整體功能分成多個(gè)不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后將各個(gè)模塊組合調(diào)試，實(shí)現(xiàn)軟件的全部功能。

本系統(tǒng)軟件是基于ATMEGA8L的C語言實(shí)現(xiàn)的，其中：電壓測(cè)量模塊，由單片機(jī)控制模擬開關(guān)，通過單片機(jī)的10位A/D模塊測(cè)量單節(jié)電池電壓值。為了提高測(cè)量的精度，軟件采用“篩值平均”的軟件慮波方法。在對(duì)每一節(jié)電池的模擬量測(cè)量時(shí)，連續(xù)測(cè)量多次，然后篩去最高值和最低值，再對(duì)剩余的測(cè)量值取平均，獲得最佳的測(cè)量結(jié)果。然后根據(jù)電壓的計(jì)算方式，獲得電池的電壓。在電壓測(cè)量完成后，要運(yùn)行“冒泡排序”的程序，對(duì)所有的電池電壓進(jìn)行排序，標(biāo)記最低、最高電池，為均衡模塊服務(wù)。

充電管理模塊，通過檢測(cè)到的單節(jié)電池電壓判斷電池所在的充電階段，并利用單片機(jī)的脈寬調(diào)制輸出(PWM)控制MOSFET實(shí)現(xiàn)預(yù)充階段的小電流充電和保持充電階段的脈沖充電。當(dāng)檢測(cè)到電池充電完畢后，自動(dòng)斷開充電回路，點(diǎn)亮充電完畢提示燈。充電管理模塊通過檢測(cè)到的電壓，電流，溫度值判斷電池是否工作在正常狀態(tài)，如出現(xiàn)過壓，過流，溫度過高等情況，馬上通過MOSFET關(guān)閉充放電回路，并點(diǎn)亮故障提示燈。

剩余容量估計(jì)包括檢測(cè)開路電壓，通過開路電壓與電池電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算，另外主要依靠安時(shí)積分法在充放電時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的電流值作積分，這通過單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷來實(shí)現(xiàn)。

串口通信利用單片機(jī)的串口USART與PC機(jī)的RS232通信。在上位PC機(jī)中，主要完成的是對(duì)串口設(shè)置的選擇控制、采集數(shù)據(jù)的讀取顯示，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。我們選擇了VC++6.0完成界面設(shè)計(jì)，通訊串口設(shè)置和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。VC++6.0開發(fā)串行通信程序主要有兩種方法：

1、利用VC++6.0提供的MSComm控件;

2、利用專門的Windows的SDK提供的API函數(shù)。

本文采用了MSComm控件。MSComm控件在串口編程時(shí)非常方便。程序員不必花時(shí)間去了解較為復(fù)雜的API函數(shù)，只需要在串口通信資源的屬性(Properties)一項(xiàng)中配置串口。串口通信的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)、發(fā)送緩沖區(qū)大小、接收緩沖區(qū)大小以及超時(shí)設(shè)置等均在此時(shí)進(jìn)行配置。完成串口配置之后即可打開串口，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。它只有一個(gè)事件，即OnComm事件。通過事件驅(qū)動(dòng)，對(duì)時(shí)間的發(fā)生進(jìn)行跟蹤和處理，從而檢測(cè)和處理通信錯(cuò)誤以及進(jìn)行對(duì)數(shù)據(jù)的處理顯示等。

5系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，下圖為鋰電池管理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行

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實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)能進(jìn)行較為精確的數(shù)據(jù)采樣，電壓測(cè)量精度可以達(dá)到0.05V，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池的分階段充電控制，SOC估算基本可靠。下圖為電路板和上位機(jī)的數(shù)據(jù)顯示：

6總結(jié)與展望

本文針對(duì)水下機(jī)器人的動(dòng)力源——鋰離子電池組提出一種電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。該電池管理系統(tǒng)可直接檢測(cè)及管理儲(chǔ)能電池工作的全過程，包括電池充放電過程管理、電池溫度檢測(cè)、電池電壓電流檢測(cè)、電量估計(jì)、單體電池間的均衡、電池故障診斷等幾個(gè)方面。在單電池電壓測(cè)量、總電壓、總電流、溫度測(cè)量及SOC估計(jì)和其他功能方面均達(dá)到了要求。

系統(tǒng)不可避免地存在一些不足，對(duì)進(jìn)一步的研究工作有如下展望：

(1)增加CAN通信模塊，CAN(ControlArea Network)總線是德國(guó)BOSCH公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)總線中有一定的優(yōu)勢(shì)。通過CAN總線組成具有兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)的可同時(shí)管理多組鋰電池組的分布式鋰電池管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用1個(gè)CECU(central electric control unit)和5個(gè)LECU(local electral control unit)組成，原理圖如圖6-1所示，8節(jié)鋰電池為1個(gè)電池組，每個(gè)電池組由1個(gè)LECU管理，本文設(shè)計(jì)的鋰電池管理系統(tǒng)只作為1個(gè)LECU管理1組電池組。CECU接收各LECU數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

(2)對(duì)于SOC估測(cè)方案的研究還沒有達(dá)到較為理想的狀態(tài)，需要進(jìn)一步深入下去，把一些沒有考慮到的對(duì)SOC有影響的因素引入到算法中來，如：電池老化引起電池容量的變化，單體電池對(duì)電池組的影響，溫度和電池容量對(duì)自放電的影響等。