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簡談電動飛機的鋰電池管理系統(tǒng)設計論文
0引言
因舊式能源的污染問題及其儲藏量減少等因素，新式能源受到人們高度關注。鋰電池由于其容量大、壽命長、使用安全、綠色環(huán)保等優(yōu)點在電動汽車上得到了廣泛的運用。有鑒于此，沈陽某實驗室研制了一種利用鋰電池的新型電動飛機。
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)起來使用。又由于鋰電池具有明顯的非線性、不一致性和時變特性，使其在長期充放電過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，嚴重情況下甚至會發(fā)生威脅安全的后果。
所以在電池充放電時，一定要注意對其進行均衡，而且放電時的穩(wěn)定性尤為重要，否則電動飛機的安全性能將大幅降低。對于飛機來說，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知性，鋰電池飛機不像使用航空煤油的飛機那樣可以精確地獲知里程，因此鋰電池飛機的飛行具有危險性。而BMS可以通過鋰電池的一些參數(shù)算出SOC，而僅僅知道SOC也無法解決飛機里程的問題。因為飛機在不同的飛行狀態(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飛行狀態(tài)下飛機的續(xù)航時間。實際上飛機中電池的健康狀態(tài)(StateofHealth，SOH)比汽車中更加重要。一旦電池出現(xiàn)問題，必將導致重大事故�；诖松系姆N種原因，為了提高飛機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
該電動飛機為了獲得足夠的動能，把72塊電池串聯(lián)在一起供飛機使用。為了在電池充放電時不引起過充、過放和電池電量的不一致，就要了解每一塊電池的實時電壓，故而選用了電池管理芯片LTC6804，其可以一次測量12塊電池的電壓，且每塊LTC6804可以通過一個菊花鏈式結構連接在一起，所有電池電壓可以一次性全部測量，且測量誤差極小，一般在1.2mV以下。
1.2電流采集
LTC6804輔助ADC輸入(GPIO引腳)可用于任何模擬信號，包括那些來自產(chǎn)生兼容電壓的各種有源傳感器的信號。其中用于BMS的一個典型范例就是霍爾電流傳感器測量電流。LEM-dhab系列霍爾電流傳感器是由LEM公司應用霍爾效應原理開發(fā)的新一代電流傳感器，dhab系列傳感器最適用于測量直流、交流和脈沖電流，主要應用于大功率、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計。原理如下：該傳感器采用一個5V電源供電，然后原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場通過一個次級線圈電流所產(chǎn)生的磁場進行補償，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)換序列進行相同的數(shù)字化處理。
1.3溫度采集
溫度對于電池的容量有著不小的影響，一般來說25℃~30℃環(huán)境下電池容量最大。所以為了解決溫度對SOC估計的影響，電池環(huán)境溫度是一個非常重要的因素。而且電池在過充和過放的時候，溫度可能會有比較劇烈的波動，所以電池管理系統(tǒng)必須對電池的實時溫度進行監(jiān)控。LTC6804具有溫度采集功能，但實際上需要測量比其路數(shù)更多的信號，故增設一個多路復用(MUX)電路來支持更多的信號數(shù)目。該電路可采用GPIOADC對多達8個輸入源信號進行數(shù)字化處理，而MUX控制則由3個配置為I2C端口的GPIO線路提供。緩沖放大器可以幫助選定信號快速恢復穩(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
LTC6804采取控制內(nèi)部MOSFET或外部MOSFET的方法來對電池組進行均衡。為獲得更大的放電電流，提高放電效率，通常采用外部均衡。LTC6804利用S管腳內(nèi)部的上拉電阻驅(qū)動外電路的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，達到均衡的目的。
2.2通信模塊
由于通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN進行大量數(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(ControllerAreaNetwork，CAN)。CAN總線能夠有效地應對采集數(shù)據(jù)數(shù)量大、種類多的特點。
2.3微控制器
本文以Atmel公司生產(chǎn)的ATmega8單片機作為微控制器。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVRRISC結構的8位單片機。AVR單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結在一起，所有的工作寄存器都與ALU(算術邏輯單元)直接相連，實現(xiàn)了在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令同時訪問(讀寫)兩個獨立寄存器的操作。這種結構提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時間僅為一個時鐘周期。因此，ATmega8可以達到接近1MIPS/MHz的性能，運行速度比普通CISC單片機高出10倍。
3SOC測量原理
SOC是電池組的最主要的一個狀態(tài)參數(shù)，它直接顯示電池的剩余電量。所以有很多的學者對此進行研究。目前研究SOC的主要方法有：放電實驗法、安時積分法、開路電壓法、負載電壓法、電池內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡法。這些方法都有其優(yōu)缺點：放電實驗法是在實驗室中常溫條件下以恒定的電流放電，其優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，缺點是需要大量時間，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量電池的開路電壓，其優(yōu)點是計算SOC簡單易行，缺點是電池不能處于工作狀態(tài)中，無法在行駛的飛機上使用;安時積分法是把電池看成是一個黑匣子，不管其內(nèi)部到底怎樣，簡單地認為其放出量等于其充入量，該方法的優(yōu)點是測量簡單，可在線計算，缺點是無法計算初始值，且因其是積分的，所以其誤差也無法得到修正;負載電壓法是在電池工作時測量其電壓，其優(yōu)點是能夠?qū)崟r地估計SOC，缺點是飛機飛行狀態(tài)不同，其負載上的電壓會劇烈地波動，從而導致負載電壓法應用困難;電池內(nèi)阻法是通過測量電池的內(nèi)阻來獲知其SOC，其優(yōu)點是在SOC較高或較低時相當準確，缺點是測量行駛飛機上電池的內(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)絡法是新型的測量方法，是系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計，其優(yōu)點是實時性好，能夠不停地修正誤差，缺點是對于鋰電池的模型精度和BMS統(tǒng)籌計算能力要求較高;神經(jīng)網(wǎng)絡法是以計算機為基礎，通過模擬人腦的推理、設計、思考、學習等智能行為，解決和處理復雜問題，其優(yōu)點是能夠模擬任何電池的動態(tài)特性，缺點是需要大量的參考數(shù)據(jù)進行訓練，估計誤差受訓練數(shù)據(jù)和訓練方法的影響很大。根據(jù)這些方法的優(yōu)缺點，本文提出一種以開路電壓法來獲知電池的初始SOC，在這個基礎上對其進行以能量為核心的安時積分法，最后為了解決安時積分法帶來的誤差，采用卡爾曼濾波法通過充放電倍率、電池溫度、自放電損耗和電池循環(huán)次數(shù)等方法來對誤差進行修正。
4軟件設計
4.1LTC6804的配置
在微控制器上電或復位后，首先通過SPI口初始化LTC6804，主要是設置SPI的通信速率、LTC6804的ADC工作模式。根據(jù)其讀、寫時序可以寫出LTC6804的配置程序，程序如下：
voidLTC6804_initialize()//LTC6804初始化配置{
quikeval_SPI_connect();
spi_enable(SPI_CLOCK_DIV16);
set_adc(MD_NORMAL，DCP_DISABLED，
CELL_CH_ALL，AUX_CH_ALL);}
voidset_adc(uint8_tMD，//ADC模式
uint8_tDCP，//放電許可
uint8_tCH，//哪些電池被測量
uint8_tCHG//測量哪些GPIO)
voidLTC6804_adcv();//啟動LTC6804電池測量
uint8_tLTC6804_rdcv(uint8_treg，uint8_ttotal_ic，
uint16_tcell_codes);//讀取12節(jié)電池測量電壓voidLTC6804_wrcfg(uint8_tnIC，uint8_tconfig);//寫配置寄存器int8_tLTC6804_rdcfg(uint8_tnIC，uint8_tr_config);
voidspi_write_read(uint8_t*TxData，uint8_tTXlen，uint8_t*rx_data，uint8_tRXlen);//SPI讀寫
4.2電流采集程序設計
霍爾電流傳感器通過作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2把信號在與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列中進行數(shù)字化處理，從而達到與電壓同步的效果。然后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進制數(shù)存在輔助寄存器A中，從寄存器中讀出來的數(shù)據(jù)共16位，記為DATA1，G1V為GPIO1的電壓，I為被測電流。計算公式如下：
G1V2=I20圯I=10G1V=10×DATA1×100μV
4.3總體程序設計
首先對各個模塊進行初始化，測量電池的電壓、電流和溫度。然后根據(jù)測得的數(shù)據(jù)進行SOC的估算，并對電池所處狀態(tài)進行分析、顯示。最后通過總線傳到上一級，完成對電池組的監(jiān)控。
5數(shù)據(jù)與分析
本文采用麥格納公司為電動汽車生產(chǎn)的大容量的鋰電池作為測量載體，采用安捷倫公司生產(chǎn)的34970A數(shù)據(jù)采集器作為輔助測量儀器。
由上表數(shù)據(jù)可知，LTC6804的測量誤差小于0.05%，符合設計需求，由圖5可知電池在電壓范圍3.0V~3.5V之間儲能極少，且電動飛機飛行時所需動能極大，故可推測出電池電壓達到3.5V時會急劇下降，所以本文將SOC的初始值預設為3.5V，并且利用高斯擬合得出一個開路電壓的公式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)可知電池在充電時充入35kW/10s能量，放電時放出32.4kW/10s能量，可以推測出電池損耗約為7.5%。由圖6(b)可知，電池在常溫下放出22kW/10s能量，-20℃時放出15kW/10s能量，可以推測出溫度對電池影響極大，約為32%。由圖6(c)可知，電池在-20℃時放出15kW/10S能量，而這時卻充入約23.9kW/10S能量，影響約為38%，基本上等于電池損耗和溫度損耗之和。由圖6(d)可知，電池在充電時充入39.2kW/10S能量，然后放置了約50天，放電時放出37.8kW/10S能量，可以得知此次損耗約為9.5%。除去原來得知的電池7.5%的損耗，電池在50天的自損約為2%。
6結論
本文采用ATmega8來控制信號和計算數(shù)據(jù)，利用高精度采集芯片LTC6804采集電壓、電路、溫度等信號，通過實驗等到的結果來對電池當前環(huán)境進行調(diào)整，使精度進一步提高;然后分析飛機處于哪種飛行狀態(tài)，這樣就可以提示飛機在當前狀態(tài)的準確飛行時間。經(jīng)過實踐表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有使用價值。
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