基于WINCE的多功能电池管理系统的设计

朱冬华 杜海江

（中国农业大学信息与电气工程学院，北京 100083）

蓄电池作为直流备用电源，在交通运输、通信等传统领域，对系统安全可靠运行有着非常重要的作用[1]；另外在在微电网等新能源发电领域，蓄电池作为储能单元，是维持微网系统电压稳定的关键，同时也是微网系统中比较薄弱的环节[2]。为避免蓄电池在长期使用中因品质问题而引发事故，带来经济损失[3]，需要一套功能完善的蓄电池管理系统对电池进行在线监控。

而传统的蓄电池管理系统大多只有监测功能，仅仅是实时监测电池组电流、电压和温度，部分含有均衡技术[4]，在蓄电池日益频繁使用的今天，此类管理系统很明显不能保证蓄电池的稳定可靠运行。本文旨在设计一套功能完善的蓄电池管理系统，对蓄电池的充放电环节进行监控，适时进行均衡和活化管理，提高蓄电池的使用效率，延长其使用寿命，降低整个系统的运行成本，进一步提高电池组的可靠性。系统基于WINCE嵌入式平台，采用分层和功能化设计，包含数据采集、充放电控制、均衡控制、活化控制、SOC估算、报警与保护、数据显示与处理多种功能，可以具体应用选择组合功能模块，具有通用性。

1 蓄电池管理系统模块设计

本文蓄电池管理系统采用两层结构，如图1所示，底层为物理层，包含数据采集，充放电控制，电池均衡；上层为电池管理系统主控制模块。

图1 电池管理系统结构示意图

1.1 底层物理层模块

底层物理模块是系统的主要功能的硬件实现部分，系统包括数据采集模块、充放电控制模块、均衡控制模块。每个模块通过485通信与主控模块相连，通过主控模块的控制，每个模块可以单独运行或配合使用。

数据采集模块：是整个蓄电池管理系统的基础，负责对蓄电池组的基本信息进行采集，如蓄电池组的电压、电流、温度和各个单体电池的电压，并通过通信母线将数据上传到主控模块，充放电控制模块和均衡控制模块也可以通过通信母线获得蓄电池组的基本信息。

充放电控制模块：实现对电压、电流的控制，该模块可以包含在系统中，也可以由外部充放电控制器实现。

均衡控制模块：当电池组出现不均衡时，均衡电路开始工作，直到满足均衡停止的条件。

1.2 上层电池管理系统主控制模块

上层电池管理系统主控制模块是整个系统的核心，底层的每个模块通过主控模块：监控整个蓄电池组的运行状态，显示、分析与处理电池数据。其主要作用是设置系统的控制工作方式和工作参数，并在主界面中显示当前和历史电池主要信息，是BMS与用户交流的重要平台。

2 蓄电池管理系统功能分析

通过主控制模块的设置和各功能模块的组合，可以使该电池管理系统在大多数运行条件下正常运行。该系统的功能主要分为以下6个方面：

1）数据采集与分析、处理：主要包括对电池组电压、电流、温度等基本信息的采集，电池组的信息是电池管理的基础，显然，所有电池管理系统都包含数据采集功能模块。

2）充放电控制：蓄电池充电或放电时，蓄电池管理系统能根据所检测的电流、电压、温度、SOC等参数，确定蓄电池组的充电或放电状态。根据蓄电池的充电特性与维护要求，可以控制充电机的充电过程，实现智能充电，充放电方法由主控模块提供，充放电控制模块实现功率控制。

3）活化功能：对于性能下降的单体电池可以通过控制充放电过程实现对电池的活化修复，活化方法由主控模块提供，充放电控制模块实现功率控制。

4）均衡控制：电池组在使用过程中会出现各个单体不均衡现象，当单体蓄电池的SOC差值超过设定限值时，均衡控制模块开始工作，直到SOC差值小于限值，均衡启动的条件由主控模块控制，各单体电池的 SOC的估算可以由主控模块完成，也可以由均衡控制模块完成。

5）SOC估算：根据蓄电池运行过程中的基本参数，估算蓄电池组的剩余容量，由主控模块完成。

6）报警与保护功能：蓄电池在使用过程中，如果有个别蓄电池损坏或电压低于正常使用电压，蓄电池管理管理系统自动报警，并显示有关信息，以便操作者及时更换蓄电池。如果蓄电池电压超过充电上限或放电下限值，则停止充放电并报警，保护蓄电池不过充、过放；若蓄电池温度过高则报警并打开风扇，从而提高系统的可靠性，延长整个蓄电池组的使用寿命。报警与保护功能由主控模块实现。

3 基于WINCE的主控模块实现

主控模块为电池管理系统的重要组成部分，其主要作用是设置系统的控制工作方式和工作参数，并在主界面中显示当前和历史电池主要信息，是BMS与用户交流的重要平台。主控模块基本功能包括：显示功能，通信功能，控制功能，基于WINCE的嵌入式平台，采用Visual Basic设计工具初步实现了所设计功能，历史数据采用SQLCE数据库。

本文以主流嵌入式处理器 AT91SAM9263作为主控制器，其主频 200MHz，核心板板载 64MB SDRAM，256MB NandFlash，4MB DataFlash，6层板工艺，具有极佳的电气性能和抗干扰性能，才有3.3V电压供电。

嵌入式系统Windows CE具有可靠性好、实时性高、内核体积小的特点，不仅支持图形窗口，具有多媒体功能，而且还可以利用丰富灵活的控件库。在Windows CE环境下为嵌入式应用建立各种图形用户界面，完全可以满足工业控制系统对人机界面的需求。

3.1 主控模块数据库设计

主控模块的数据库包含4个表：表1为变量参数表，包含系统所需的各类工作参数；表2为事件日志表，包括时间和事件两个量；表3为历史参数表，包括时间、电池序号、电压、电流和温度5个字段。表4为从站地址表，包括序号、地址、从站类型和故障标志4个字段。根据分析采用SQLCE数据库。

微软推出SQL SEVER数据库，功能强大，使用方便。其针对嵌入式设备的版本为SQL SEVER FOR CE，简称SQLCE。它是一个小型的数据库产品，旨在帮助企业迅速开发出能够将数据管理能力延伸到移动设备上的应用。SQLCE具备强大的检索查询能力，它支持用户熟悉的结构化查询语言 SQL，提供了与SQL Seerver一致的开发模型和AAPI，使得移动应用的开发过程更为简单。具体函数有创建数据表函数CreateDatabase，添加表函数CREATTE TABLE，查询记录函数SEELECT，修改函数updatee等。

3.2 主控模块功能实现

用实物搭建蓄电池管理系统后，用 Microosoft Platform Buuilder 5.0订制好WINCEE 5.0系统，并下载到ARM99上。然后用VB2005编写出整个监控系统的测试界面，从而下载到WINCEE系统中，测试监控系统的功能和运行控制效果。

1）显示功能

系统显示功能包括主监控界面，参数修改，详细数据查询。如图2所示。

图2 主控模块显示功能示意图

2）通信功能

主控模块通过485通信线实现与下位机通信。通过基本参数修改中的通信参数界面设置建立与从站的串口通信。用户通过参数修改界面，设置电池的额定电压、容量、保护值、充电电压电流等各种工作参数。通过工作模式的选择，实现对系统的调度。

3）控制功能

主控模块有两种工作模式，分别是自动模式和手动模式。其中自动模式指系统启动后按预定的工作方式和预定的参数自动工作，手动模式需手动启动，才能运行当前工作方式。工作方式分充电、放电、均衡、活化，其中均衡能与其他三项同时运行。

4 实验及结果分析

为了验证电池管理系统的有效性和可靠性，按照图1搭建实验测试平台，进行联合调试实验。各功能模块单元与ARM板上的主控单元通过 485串口通信连接，根据选择的充放电单元与均衡模块，在主控界面中设定系统的充放电参数及均衡模式，并通过主界面中开关按钮，控制系统的运行。系统运行主界面如下，基本信息显示当前工作模式和工作状态、开机时间和当前时间，主界面下半部分以表格和柱形图形式显示各个单体电池实时参数。

图3 系统运行主界面

实验结果表明，该电池管理系统设计功能全面，通用性强，能够实现多种状况下电池的正常监测与控制，保证蓄电池的稳定可靠运行。

5 结论

本文针对现有电池管理系统功能不够全面、通用性不强的问题，本系统基于WINCE和ARM平台，设计了一套功能全面的电池管理系统。本系统采用分层结构和模块化设计，包含了数据采集、充放电控制、均衡控制、活化控制、SOC估算、报警与保护、数据显示与处理多种功能，并可根据需求灵活组合，可以应用在微电网储能系统，电动汽车充电场合，具有通用性和灵活性。

[1]雷晶晶,等.动力锂离子电池管理系统的研究进展[J]].电源技术,20010(11).

[2]关晓慧,吕跃刚.间歇性可再生能源发电中的储能技术研究[J].能源与节能,20111(02).

[3]符晓玲,商云龙,崔纳新. 电动汽车电池管理系统研究现状及发展趋势[J].电力电子技术,2011,45(112):27-31.

[4]岳仁超,王艳.电池管理系统设计[J].低压电器, 2010(3)::31-34.