24 V/20 A磷酸铁锂电池管理系统的软件设计*

尤晓蕾，任纪伟，王超梁

(1.郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450046； 2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)



24 V/20 A磷酸铁锂电池管理系统的软件设计*

尤晓蕾1，任纪伟2，王超梁1

(1.郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450046； 2.中国石油大学(华东)，山东 青岛 266580)

磷酸铁锂电池作为一种新型的锂离子蓄电池，具有高容量、高输出电压、良好的充放电特性，但也存在着电池组一致性、电池过充等问题，因此在实际使用中需要配合电池管理系统(BMS)对其进行管理和保护，以发挥其最佳性能。文中设计了一款具有24 V/20 A输出功能的磷酸铁锂电池电源管理系统，利用模块化的设计理念，采用MAX17830的硬件架构对电池组进行数据的采集，并使用RT-Theart嵌入式操作系统进行任务管理。其主要研究内容是磷酸铁锂电池管理系统的软件设计及系统平台测试。

磷酸铁锂电池；电池管理系统软件设计；RT-Theart嵌入式系统

0 引言

磷酸铁锂电池作为一种新型的锂离子蓄电池，是传统的铅酸、镍氢等蓄电池无法相比的，锂离子蓄电池组尤其是磷酸铁锂蓄电池组和电池管理系统(Battery Management System, BMS)随着技术发展的不断完善将逐步应用于车载电源系统之中[1]。配合电池管理系统对车载电源系统进行管理和保护能够发挥其最佳性能。电池管理系统自产生开始，便得到了世界各国的重视，我国首次出现BMS研究在2000年前后，相比美国、日本等国家较晚，但我国对BMS的研究非常重视，“十一五”期间建立了电动汽车项目，对电池管理系统的研究也取得了重大进展。如今，BMS已经成为国家和企业重点关注和投资的科学研究领域之一。

目前磷酸铁锂电源系统智能化程度低，通用互换性差[2]，故从电池应用的实际需求出发，根据电池供电系统方便、简洁、安全、高效的要求，结合电池应用中磷酸铁锂电池系统的软件和硬件设计的特殊情况，本文设计了一个在使用中可以输出24 V/20 A直流(DC)的磷酸铁锂电池管理系统。该系统具有数据采集、状态控制、温度管理、均衡管理等功能，系统可以通过串、并联等多种组网方式对外提供多种直流电。并对磷酸铁锂电池管理系统的硬件架构、软件架构等技术展开系统研究，硬件采用MKE02Z64VQH2微控制器和MAX17830架构的设计方案，采用ARM-M0+内核的KinetisE系列MCU作为系统的主处理器对数据及整个系统的运行状态进行管理。系统功能模块有稳压模块、电压采集与均衡、电流采集模块、温度采集模块、充放电控制模块以及显示控制模块；软件采用RT-Theart嵌入式实时操作系统，该系统能有效保障管理系统的稳定运行。软件编写根据功能的不同采用模块化的编程结构，以便软件的维护和移植。

1 磷酸铁锂电池BMS软件设计

磷酸铁锂电池管理系统基于MDK-ARM Microcontroller Development 4.73集成开发环境，采用C语言及部分汇编语言进行编写，再编译成相应的执行文件格式，通过SWD协议下载到MCU上执行。按照稳定高效、低功耗等技术参数及要求，预设本电池管理系统由动态信息采样、电管理、热管理、均衡管理、数据管理、状态管理、系统自检7个功能体系构成，从以上7个方面对电池能量系统的安全性、稳定性、耐用性、易用性进行管理。采用RT-Theart嵌入式实时操作系统，软件体系结构[3-4]如图1所示。

图1 软件基本架构

图2 系统开机自检流程图

当接通电源打开电池电源管理系统时，管理系统首先开机自检和初始化。自检包括温度传感器检测、显示器测检、MAX17830芯片检测、电流传感器检测以及通信检测。初始化包括电池的电压、电流、温度的采集，硬件设备的启动，电池组电量的计算。系统开机自检流程图见图2。

系统启动以后将定期采集8个DS18B20温度传感器的温度、2路铂电阻温度计的温度。8个DS18B20温度传感器采集8个单体电池的温度，2路铂电阻温度计采集电池组箱体的温度。当采集的温度超过预设值时系统报警并关闭充、放电电路，如果其中的温度传感器有损坏，系统将发出警报声，只要有2路铂电阻温度计和1个DS18B20温度计正常工作,系统将只是报警不关闭。系统温度检测流程图见图3[5-6]。

图3 系统温度检测流程图

图4 系统电压、电流采集功能流程图

电池的电压、电流的信息采集主要通过MAX17830芯片和ACS712芯片来实现。CPU将采集的信息汇总，评估出电池组的剩余电量并进行显示。当电池组剩余电量过低时系统将关闭。系统电压、电流采集功能流程图如图4所示。

液晶屏将重要的信息参数显示出来供人员查看，当在一定的时间内如果液晶屏没有触控操作将关闭背光。工作人员也可以利用触控功能根据系统提示设置一些系统参数，实现人机交互。液晶显示与人机交互功能流程图如图5。

图5 液晶显示与人机交互功能流程图

2 系统测试平台

根据具体需求对电池组及其管理系统进行了软硬件设计，搭建了由电池管理系统、磷酸铁锂电池组和液晶显示屏组成的模拟测试系统。

其中使用的单体电池为200 Ah的磷酸铁锂电池，基本的尺寸为110×60×190，额定电压为3 V，电池组的总电压为24 V，容量200 Ah。

嵌入式系统的开发是个不断探索试验的过程，软硬件的联合运作才能实现整体的功能。

硬件的测试主要通过3步完成：(1)电路图设计的检查，可以通过多人检查的方式完成，能有效避免低级错误的出现；(2)在电路焊接的过程中，在器件准备、焊接过程等流程中严格管控，避免出现错用零件或者零件虚焊的情况，在实际调试中这部分的错误往往经常发生，往往会对系统后期测试造成很大麻烦，导致在问题修复中走弯路；(3)在系统上电之前使用万用表对测试点进行测量，观察是否满足设计之初的设想，严禁盲目上电和冒险蛮干，避免造成设备的损坏。

软件的调试因搭建了模拟平台，在修改和测试上带来了便利，同时，对于系统的错误，通过软件升级的方式进行修复也是比较经济的途径。在软件调试中可分两步进行：(1)局部功能调试，将系统的各个功能分成模块，分开进行测试，每个模块功能实现后再进行综合测试；(2)将各个模块的功能进行集合，联合调试，最终实现整个功能。系统人机显示界面如图6所示。

图6 人机显示界面

3 结论

本文结合磷酸铁锂电池方便、简洁、安全、高效的需求，从整体供电进行系统设计和软件设计，电池管理系统采用模块化的设计理念，软件采用RT-Theart嵌入式实时操作系统，基于MDK-ARM Microcontroller Development 4.73集成开发环境，采用C语言及部分汇编语言进行编写。该系统可以输出24 V/20 A直流电。通过搭建的模拟平台对单体电池、电池组的电压、温度等参数进行实际跟踪测量，对测量结果分析可知，设计的磷酸铁锂电池组及其管理系统精度满足规定的标准和要求，实现了改善蓄电池组电源系统性能的目标。

[1] 郭炳馄,徐徽,王先友,等.锂离子电池[M].长沙:中南大学出版社,2002.

[2] 赵健,杨维芝,赵佳明.锂离子电池的应用开发[J].电池工业,2000,5(1):31-36.

[3] 杨朔.基于CAN总线的电动汽车电池智能管理系统的研究[D].杭州：浙江大学,2004.

[4] 胡建红.基于MC9S12DP512与CAN总线的电池管理系统研究与设计[D].上海:上海交通大学,2008.

[5] 陈诚,赵永瑞,任纪伟.一种实用动力电池用大功率电子开关设计[J].微型机与应用,2013,32(19):35-36.

[6] 任纪伟,尤晓蕾,陈诚.电台用磷酸铁锂电池管理系统设计[J].微型机与应用,2013,32(22): 26-28.

Software design of 24 V/20 A lithium iron phosphate battery management system

You Xiaolei1, Ren Jiwei2, Wang Chaoliang1

(1. Zhengzhou University of Aeronautics, Zhengzhou 450046, China；2. China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Lithium iron phosphate battery is a new type of lithium ion battery with high capacity, high output voltage, good charge and discharge characteristics. But there are also problems such as consistency of battery pack and overcharge of battery, therefore the battery management system (BMS) can be used in practical in order to manage and protect the battery. In this paper a battery management system for lithium iron phosphate battery with 24 V/20 A output function is designed, the modular design concept is used. Using the MAX17830 hardware architecture to collect data of the battery pack and using RT-Theart embedded operating system to manage the task. The main content of this paper is the software design and system platform test of lithium iron phosphate battery management system.

lithium iron phosphate battery; software design of battery management system; RT-Theart embedded system

国家自然科学基金(61162018)； 航空科学基金(2015ZD55005)

TN98

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.006

尤晓蕾，任纪伟，王超梁.24 V/20 A磷酸铁锂电池管理系统的软件设计[J].微型机与应用，2017,36(13)：16-18.

2017-02-06)

尤晓蕾(1984-)，女，硕士，助理实验师，主要研究方向：数字信号处理。