电动通用飞机动力锂电池监控系统设计

2014-06-28谭元元张利国

电源技术 2014年9期

谭元元，张利国

（1.沈阳航空航天大学航空航天工程学部航空宇航制造工程，辽宁沈阳110136；2.辽宁通用航空研究院，辽宁沈阳110136）

随着经济的发展，传统的能源消耗严重，并且造成了严重的环境污染。现今，能源危机逐步显现，人们环保意识的提升，迫切地需要一种新能源来代替传统能源[1-7]，锂离子电池以其能量密度高、使用寿命长、自放电小、无记忆效应及单节电池电压高等诸多优点，迅速成为市场的主流电池产品，越来越受到社会的关注[4-7]。

锂离子电池几乎垄断了整个手机行业，其突出的表现受到人们的一致赞同。在此基础上，多节锂离子电池串联的高压电池组作为代替燃料的绿色能源，在工业和运输业中的应用越来越广泛，例如电动自行车、电动汽车、电动力飞机等。动力电池多作为动力源应用，一般要100只左右电芯串联。若采用传统的电池工作状态采集芯片，所需芯片的数量将很大，会大大增加成本[4]。电动力通用飞机所需要的动力电池电压高、电流大，采集精度要求高，这都对本系统的设计增加了难度。

本文就动力锂电池，即多节串联动力锂电池的监控电路的设计应用结合锂电池的本身特性做出分析。针对通用航空飞机的电源系统具有体积小、质量轻、精度高等特点，对本设计进行了一些优化：使用精度较高的元器件；大规模集成化，减少线的连接；采用Wi-Fi无线传输数据，方便安装。Wi-Fi相对于传统的无线传输来说，具有传输范围广、受干扰小、传输速度快等突出优势，非常适合通用飞机的机舱环境。

1 硬件设计

1.1 硬件设计框图与原理

硬件设计框图如图1所示。

本设计以TI公司生产的、用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片TMS320F2812为主控芯片，其具有SPI、SCI、ADC等丰富的外部接口，完全可以满足本系统的需求。本设计主要包括：采集模块、数据传输模块、显示模块；每个采集模块可测量电池组的电压、电流、温度值，并可以扩展多个采集模块，至多可扩展16个采集模块；控制均衡电路对电池组进行电阻均衡；主控芯片将读取到测量数据，经过内部处理后，通过Wi-Fi传输，发送到LCD进行实时显示。本系统包括监控单元和显示单元两大部分。

图1 硬件框图

监控单元：采集电池状态信息，并将采集到的信息通过Wi-Fi发送模块发送出去。

显示单元：将Wi-Fi接收模块接收到的数据显示。

1.2 单体电压与温度采集电路

LTC6802-2是一款完整的电池测量IC，包含一个12位ADC、一个精确的电压基准、一个高压输入多路复用器和一个串行接口。每个LTC6802-2都能测量多达12个串联连接的独立电池单元。该器件的专有设计使多个LTC6802-2能串联叠置，而无需光耦合器或隔离器，从而允许对长串串联连接电池中的每一节电池进行精确的电压监视。

本设计采用SPI总线来发送与读取数据，每一个LTC6802-2配置一个4位地址，以便于主控芯片寻址。电池均衡方式采用电阻均衡，温度传感器采用热敏电阻；采集电压、温度数据电路如图2所示。

图2 采集电路

1.3 电池组总电压、电流采集电路

TMS320F2812共有16个12位A/D输入通道，可配置成两个独立的8通道，这里选用ADCINA[0…7]为电压输入通道，ADCINB[0…7]为电流输入通道。

在电源管理系统中，总电压采集不需要太高的精度，但误差也不能太大，由于TMS320F2812的ADC模块输入电压为0～3 V，需要配置一个电阻进行分压，普通的电阻温漂误差过大，这里使用精密电阻。

电流的监测相对于电压和温度来说，具有采样通道少，采样频率高的特点。电流的采样精度对于系统的安全性具有重要的影响。选用霍尔型电流传感器，采样精度较高，可以满足要求。

在电源管理系统中，电压与电流的检测容易受到电磁干扰，模拟电路的抗干扰性比较差，针对这样的干扰，最好的方法是加入滤波器，把高频的信号变化滤除。选用LM358作为A/D滤波调理电路，其电路图如图3所示。

图3 滤波电路

1.4 SPI总线电路

由于每个监控模块电位各不相同，因此需要隔离器在数据传输线上进行电气隔离，LTC6802-2串口通信频率为1 MHz，本文中采用的隔离器为ADUM1411，其频率范围为1～10 MHz，满足设计要求；SPI总线连接结构如图4所示。

图4 SPI总线连接结构图

1.5 数据传输与显示电路

Wi-Fi传输现已得到了广泛的应用，具有较大的带宽，传输数据的快速都得到了广泛的好评。本方案应用Wi-Fi设计，可以省去监控设备与显示设备之间的连线，使显示设备在仪表板的安装更加方便，本文设计数据传输带宽为1 M/s，使用Wi-Fi传输完全可以满足要求。

采用XLW002XWi-Fi模块：该模块集成了MCU、符合802.11 b/g 2.4G标准的无线射频收发器、TCP/IP协议栈和应用程序，XLW002XWi-Fi模块提供了非常丰富的接口，方便用户的设备与模块连接，包括 UART、SPI、I2C、I2S、MII/RMII。XLW002X Wi-Fi模块易于集成到最终产品中，加快产品开发，缩短上市时间，为用户提供一种低成本、可靠的无线解决方案。

采集到的数据，经过主控芯片的处理之后，通过Wi-Fi发送模块将数据发送。Wi-Fi接收模块将接收到的数据通过AT89C51处理之后，发送到LCD进行实时显示电池组温度和总电压；考虑到通用飞机内部的环境，液晶显示器安装在仪表板上，如果采用传统的连接方式，需要较长的导线与本系统进行连接，采用的导线比较多，这样就会增加质量，而Wi-Fi传输不需要布线，因此，本文中数据传输采用Wi-Fi，大大简化了设计电路，也减轻了质量（图5）。

2 软件设计

图5 数据传输与显示电路

是最为关键的一步。因为只有保证可靠的通信，主控芯片才能够控制LTC6802-2进行电芯电压、温度采集以及控制均衡电路的开启和关闭。LTC6802-2支持可寻址，因此大大简化了操作LTC6802-2的相关代码，只需向SPI总线发送的数据包中加入目标地址即可。

芯片在上电以后，先进行初始化，然后对各采集单元发送采集命令，并开始执行采集任务，完成12节锂电池的采集任务需要13ms左右，采集任务完成之后，LTC6802-2将数据发送到主控芯片，主控芯片对数据进行处理后，将数据发送到LCD进行实时循环显示。主程序流程图如图6所示。

3 结论

大功率高电压的动力锂电池组在电动力通用飞机上的应用越来越多，而目前的管理芯片大多都是分离元器件，并且种类繁多，功能也各不相同。本文介绍了基于DSP的锂离子电池监控系统设计，本设计可实现各采集模块对模块内所有电池数据的刷新速度达到13ms，经过仿真以及实验测试，采集电路误差可控制在3%以内。并且，对Wi-Fi传输进行了不同距离的传输测试，结果表明在10m范围内的数据传输非常稳定，可靠。在本文中，选用了精度较高的器件，保证了测量的精度，提高了抗干扰能力。