基于STM 32的铝空气电池管理系统设计*

2019-11-28赖忠喜张占军

舰船电子工程 2019年11期

赖忠喜张占军张三

（台州职业技术学院机电研究所台州 318000）

1 引言

铝空气电池是铝电极与空气电极在溶液中发生化学反应，并将化学能转换为电能的一种电化学设备，它具有体积小、质量轻、环保节能、比功率和比能量高等特点［1～4］，在应急电源，后备电源，军事便携电源，电动汽车电源和水下电源等各行各业都有广泛应用［5～7］。但是铝空气电池在使用过程中存在持续大电流放电、电解液温度过高或者析出的氢气浓度过高等现象，这都会严重影响铝空气电池使用效率与使用寿命，甚至发生危险，因此对铝空气电池进行实时监控和安全管理就显得尤为重要，本文设计了一种以STM32F103VET6微控制器为核心的铝空气电池管理系统，它能对铝空气电池的输出电压、电流、电池荷电状态SOC（State of Charge）、电解液的温度和氢气浓度进行实时监控，并且具有过载、过流、欠压和过温等各种保护功能，提高了铝空气电池的可靠性与使用效率。

2 总体设计

2.1 铝空气电池的总体结构

该铝空气电池的额定功率为300W，它由10个铝空气电池单体串联而成，铝空气电池的整体结构如图1所示，其主要包括电解液回液系统、电解液箱、电池堆、电解液上液系统，通风系统、测温系统、排氢系统、过滤系统和散热系统等。表1为该铝空气电池的基本技术参数。

表1 铝空气电池的基本技术参数

图1 铝空气电池结构原理图

2.2 铝空气电池管理系统的整体设计

铝空气电池管理系统主要包括微控制器模块、电源模块、数据采集模块、液晶显示模块、键盘输入模块、执行模块和串口通信模块等，系统原理框图如图2所示。数据采集模块通过传感器将铝空气电池的各种运行参数转换成相应的电信号，然后输入到微控制器模块，微控制器对输入的信号进行A/D转换和数据处理后将铝空气电池运行参数实时显示在液晶显示器上并把采集的数据传送给上位机，同时微控制器会根据所采集的铝空气电池运行参数控制相应的执行模块，使铝空气电池工作在最佳的运行状态。键盘输入模块可以预先设定各个运行参数的报警极限值，当参数超出预先设定值后，系统立即发出声光报警，并切断负载的供电，提醒相关操作人员及时采取相应的安全措施。此外，微控制器模块同时也可接收来自上位机的指令对执行模块进行控制。

2.3 启动电源部分

铝空气电池刚开始工作时，铝空气电池反应存在延迟，铝电池的输出不足以驱动负载，而前期又需要给铝空气电池管理系统及其辅助装置供电，因此需要添加启动电源，本文启动电源采用12V的聚合物锂电池。铝空气电池输出与启动电源部分如图3所示，当系统开始工作时，铝空气电池不能驱动负载和电源管理系统正常工作，在这种情况下需要锂电池给系统独立供电，此时K1、K2闭合。当铝空气电池的性能上升，检测到电池输出电压能驱动整个系统时，则K2闭合，K1断开，由铝空气电池给负载和电源管理系统供电。当系统出现过载、过流、欠压和过温等情况时，则将K2断开，使负载脱离铝电池供电，对铝电池起到保护作用。

图2 铝空气电池管理系统框图

图3 铝空气电池输出与启动电源部分

3 系统硬件设计

3.1 微控制器模块

微控制器模块选用STM32F103VET6单片机［8］作为主控芯片。主要原因如下：1）该微控制器是一款基于Cortex-M3的32位处理器，具有低功耗，抗干扰能力强，低成本和可靠性高等特点。2）根据控制系统的要求，选用的单片机必须具有多I/O口、高速异步通信串口，PWM，SPI和存储数据等功能，STM32F103VET6单片机内置64KB容量的SRAM和512KB容量的闪存，80个I/O口，3个12位ADC，4个通用16位定时器和1个PWM定时器，含有USART，SPI，I2C，CAN等通信接口，非常适合本设计的需要。

3.2 数据采集模块

数据采集模块的主要功能是对铝空气电池工作时输出的电压、电流、电解液温度和电解液箱的氢气浓度进行采集。为防止铝空气电池的输出电压对控制系统造成干扰，本系统采用线性模拟光耦HCNR201［9］对铝电池的输出电压进行采集，电压采集模块电路如图4所示，该电路分为四个部分，第一部分是由电阻分压网络和一级运放构成，一级运放起到电压跟随器的作用。第二部分是由二级运放通过HCNR201组成的负反馈网络构成，主要起到将电压信号转变成电流信号的作用。第三部分是由三级运放电路构成，主要是将光耦输出的电流信号转变为电压信号，并增强负载驱动能力。第四部分由四级运放，RC滤波电路和二极管钳位电路所构成。图中电阻 R16、R17、R18、R19、R20选用千分之一的精密电阻来提高电压采集精度，电容C30、C31为反馈电容，用于提高电路稳定性，消除自激振荡。

图4 电压采集模块电路图

电流采集模块电路如图5所示，霍尔电流传感器选用Allegro公司生产的线性电流传感器ACS758-050B。该器件具有精度高，响应时间快，超低功率损耗等特点［10］，其输出电压Vout的表达式为

式中2.5V是基准电压，a为传感器灵敏度系数，其值为40mV/A，I为放电电流。由于铝空气电池工作时，其输出电流会在0～40A变化，因此ACS758的输出电压会在2.5V～4.1V变化，为提高电流采样的精度和分辨度，通过减法比例运算电路对霍尔传感器的输出信号进行处理，在减法比例运算电路中采用高精度稳压芯片TL431作为2.5V基准参考电压，运算放大器选择轨对轨放大、开环增益较为稳定的集成芯片SGM321。电阻R29、R30、R33、R36选用千分之一的精密电阻，取R30=R33=2K，R29=R36=3.3K，则根据减法比例运算电路特性有：

式中，V0为经过减法比例运算电路后的输出电压。

由于控制系统对电解液的温度和析出的氢气浓度的采集精度要求不高，因此温度采集模块采用精度为1%的负温度系数热敏电阻。该热敏电阻具有体积小、响应时间短和成本低等优点。氢气浓度采集模块选用MQ-8半导体型氢气传感器。MQ-8氢气传感器以SnO2为气敏材料，可探测100ppm～10000ppm浓度的氢气，具有成本低，寿命长，灵敏性好和驱动电路简单等特点［11］。

图5 电流采集模块电路图

3.3 电源管理模块

电源电路是铝空气电池管理系统正常工作的基础，其稳定性决定了系统是否能够安全、稳定的运行。本系统需要12V、两个隔离5V和3.3V电源。其中12V主要为执行模块中的执行元件提供电源，为降低成本该电压直接由铝空气电池输出提供，一路5V为隔离光耦输入之前的电路提供电源，另外一路隔离的5V为系统其它元器件提供电源，3.3V为微控制器提供电源，本系统采用LM2596S将铝空气电池输出的12V转换为5V，采用隔离电源器件B0505S实现两个5V电源的隔离，采用TPS7333将5V转换为3.3V电源。图6为电源模块电路原理图。

图6 电源模块电路图

3.4 执行模块

执行模块包括继电器输出模块、电机驱动调速模块和相关的执行设备，微控制器将要输出的开关量通过光耦与输出通道进行隔离，避免微控制系统与执行机构之间的相互干扰，光耦输出的信号经过三级管放大后驱动12V小型继电器，从而控制执行设备动作，电池堆中电解液的温度和流速以及进气风扇对铝空气电池的性能有重要的影响，根据采集的铝空气电池工作参数，采用LGS公司的L298N为核心的驱动调速电路来对水泵、散热风扇和进气风扇进行控制，L298N输出电流2A，驱动电压范围+2.5V～46V，能很方便地通过单片机进行PWM调速［12］。

4 系统软件设计

4.1 下位机软件设计

系统软件的主程序流程如图7所示，铝空气电池开始工作时，整个系统由锂电池进行供电，铝空气电池管理系统首先会进行相关初始化的工作，随着铝空气电池两端电压缓慢升高，当它的输出电压达到可以正常驱动负载的时候，整个系统的电能都是由铝空气电池提供，接着电池管理系统从单片机的FALASH读取上次铝空气电池关闭时的SOC值和所设置的工作参数阈值，并对定时器和中断进行初始化工作，接着系统对铝空气电池工作时的各种参数进行采集并与上位机进行串口通信处理。然后单片机根据采集的参数对执行机构进行相应的控制，使铝空气电池工作在最佳的工作状态。各种工作参数的阈值可以通过键盘输入模块来进行设置，设定后的数值会自动保存至单片机内部的FALASH中。当所采集的各个工作参数超过所设置的阈值时，管理系统会发出报警，并切断对负载的供电，起到对铝空气电池进行智能保护的作用，系统每隔200ms采样一次铝空气电池的输出电流并采用安时积分法对SOC值进行估算，最后将铝空气电池的各种工作参数和SOC值在液晶显示模块上直观地显示出来，方便用户了解系统的工作状况，当铝空气电池遇到两种情况下会停止工作：1）如果用户按下管理系统的停止按钮，控制系统则会将当前的SOC值存入FALASH，同时控制电解液泵使铝空气电池停止工作；2）如果当系统检测到SOC值 ≤5%时，系统会报警提示更换电解液或者铝片，并停止铝空气电池工作。其它正常情况下，控制系统则会对铝空气电池的参数进行循环的监测和控制。

图7 系统主程序流程图

4.2 上位机软件设计

上位机软件采用Microsoft Visual C++6.0进行编程，其主要实现对铝空气电池参数的实时监控和数据存储等功能，主要包括数据实时采集监控模块，控制参数设置模块，通信模块，数据处理模块和历史查询模块等，上位机软件的监控界面如图8所示。

5 测试结果

将上述铝电池管理系统、上位机软件与铝空气电池进行联合测试，负载采用3个额定功率为100瓦的灯泡，实验中用泰克TBS1104示波器测量值作为参考值，每10Min记录一次数据。表2记录了铝空气电池输出电压和电流的测试结果。其中V1，I1为上位机采集到的铝空气电池输出电压和电流测量值，V2，I2为示波器的测量值。从表中可以看出该电池管理系统的电压测量精度小于0.8%，电流测量精度小于1.5%，基本能满足控制要求。