基于4G无线通信的电池状态信息采集系统设计*

2020-06-14张雨涵李若愚孙金磊

电器与能效管理技术 2020年5期

张雨涵, 李若愚, 姜川, 刘钊, 孙金磊

(南京理工大学自动化学院, 江苏南京 210000)

0 引言

随着空气污染的日益严重,传统燃油汽车将面临严峻挑战[1]。为了解决资源环境问题,国内外工程技术人员开始加大对电动汽车的研发[2]。动力电池作为电动汽车的关键部件,是决定汽车动力性、安全性、经济性以及实用性的重要因素[3-4],因此监测人员需要利用电池管理系统(Battery Management System,BMS)实时了解电池的工作状态,并对其可能存在的故障情况做出预测与报警。

BMS测量电池的电压、充放电电流和温度,并根据电压状态控制电池的充放电,根据电流大小提供充放电保护,根据温度状态推断电池当前的状态。XU D P等[5]开发一款BMS,包括电池电压/电流等信息采样电路,并基于安时积分法完成对电池SOC的估计;在试验室条件下证明系统运行稳定,采样准确率高,抗干扰性好。MONEIRO V等[6]针对分布式BMS通信过程中容易出现的网络延迟问题,分析了电池信号的采样和存储过程,研究了BMS中的异步机制;利用主控制器的“全局时钟”来开发一种在线同步方法,以尽可能地减少延迟。HE H W等[7]研究了一种基于电化学模型的扩展卡尔曼滤波算法,用于估算动力电池的荷电状态(State of Charge,SOC);结果表明,这种算法估算精度高、调节能力强。BUCHTA R等[8]指出电池包单体之间的均衡十分重要,基于建立的三阶等效电路模型,研究电池均衡控制方法。

近几年,无线通信技术发展迅猛,各类无线产品有望渗透到各行各业。由于4G模块稳定、可靠、可以实现多用途融合等特点[9],4G无线通信技术的应用领域十分丰富[10]。本文针对偏远地区串联电池组供电系统电池维护和状态回传受限的实际问题,设计和开发基于4G无线通信的电池状态信息采集系统。其设计难点:实时获取电池状态并定时发送电池状态信息;实现随时随地电池状态信息查询;采集系统适用于不同温度环境。

1 系统总体设计

使用STM32F103作为总处理器,完成电压、电流检测并且控制电池的充放电。用AD7280A芯片对电池电压数据进行读取,通过串口通信与单片机相连,进行控制与数据传输。利用ACS712霍尔电流传感器采集充电或者放电电流,然后利用4G模块,通过串口(UART)与主控制器(MCU)相连接。将测量数据经过串口打包,经由Socket传输,将数据传送至接收端。总体设计结构框图如图1所示。

2 主要硬件电路设计

2.1 主控制器最小系统

MCU主控制器是整个电池信息采集系统和4G无线通信的核心,需要实时对电池的电压、电流和温度等信息进行实时检测,对这些信号进行实时处理,并且控制通信模块,将信息进行实时的传输。对于MCU主控制器的选型,需要使用满足常用的 GPIO 输入/输出、定时器中断、外部中断、SPI、串口通信、PWM 输出等功能的单片机。采用微处理器STM32F103,其是一款基于ARM的32位Cortext M3内核单片机,工作频率为72 MHz,内置高速存储器、丰富的I/O端口、3个12位的ADC、 4个通用16位定时器和2个PWM定时器,还包含标准和先进的通信接口,与上位机通过SPI通信,与通信模块通过串口通信,可工作于-40～105 ℃,供电电压为2.0～3.6 V,其宽温度范围能够满足野外多变温度环境的实际应用需求。主控制器最小系统如图2所示。

2.2 电压检测与均衡电路设计

目前,集成式电池管理芯片的技术已相当成熟,采用集成芯片测量电池单体电压既简化电路设计,又提高电池采集的精度,降低电池均衡的难度。设计中使用AD7280A芯片进行电池电压的采集。AD7280A有6个模拟输入通道、6个辅助ADC输入,测量的电池电压精度可达到±1.6 mV,具有对混合动力电动汽车所装载锂离子电池进行监控所需的全部功能。供电电压为8～30 V,通过内置的高压多路复用器来转换模拟输入,VIN0～VIN6每两个相近端口的差值便是1节电池的电压,即VIN1-VIN0就是第一节电池的电压。AD7280A通过SPI通信与MCU相连接,进行控制与数据传输,通过配置寄存器,写入命令,控制芯片对电池电压的采集。其采集速度与4G模块数据帧发送的频率均为毫秒级别,而且电池状态变化属于秒级,因此能够保证发送的数据体现电池状态变化。

2.3 电流检测与开关控制电路设计

在电流检测与开关控制电路中,利用ACS712霍尔电流传感器采集充电或放电电流,其常温下的精度可以达到1.5%。充电和放电的控制用MCU切换模式。ACS712需要5 V供电,输出量程为0～5 V,STM32F103为3.3 V供电,在使用时需要电压的转换,可以用电阻分压进行电压转换,然后在分压之后加入一个由LM358运算放大器所构成的射随电路,以确保输出端信号不被影响,从而提高电流的检测精度。

开关控制电路主要起到控制电池与外接电路的通断功能,其通过继电器SLA进行控制,以确保电池在正常工作的情况下与外接电路进行连通。当设备检测到电池状态异常的情况,可通过控制继电器的通断及时地断开电池与外接的电路连接,确保用电的安全性。继电器控制信号需要高达12 V的电压才能够使其闭合,需要由MCU对其进行控制,中间要通过控制TLP152光耦继电器的通断来间接地控制12 V信号的闭合,从而实现控制SLA继电器的通断。电流检测与开关控制电路如图3所示。

2.4 电源模块电路设计

选择12 V供电电压作为整个系统的电源来源,在该电压基础上要对供电电压进行降压处理,使电压降低到系统所需要的电压。整个电路系统中所需要的电压分为5、3.3和12 V,对此使用电源芯片设计电源模块电路。4G模块所需供电为12 V,无需降压处理。其他模块所需的供电电压通过两个降压芯片对12 V进行降压处理,第一个降压芯片将电压降到5 V,再经过另一个电压芯片进行处理将5 V降到3.3 V。第一个降压芯片使用LM2596S芯片。LM2596S芯片有很多种类型,可以将电压降到5、3.3、3、2.85 V等,本文选用稳定到5 V的芯片;第二片选择AMS1117芯片,将5 V电压稳定到3.3 V。

主控制芯片因为要使用AD功能,所以在AD供电引脚处引入比较稳定的电压,防止AD的使用误差过大。这里使用REF3030参考电压芯片输出3 V高精度电压,作为STM32F103的AD功能的供电于电压参考。

REF3030稳压电路如图4所示。

2.5 4G模块电路设计

4G模块采用的是WH-LTE-7S4V2芯片,其适用于移动、联通、电信4G网络制式,以“透传”作为功能核心,可方便、快速地集成于设计系统中。将单片机与4G模块RX与TX连接,通过对串口进行设置,实现串口与MCU的双向数据传输;支持自定义注册包、心跳包等功能,协调单片机采集数据和4G模块发送数据的频率;支持两路Socket连接,实现与服务器的数据交互,为网页端显示提供数据,能随时随地通过访问网页来查看电池的信息。设计采用网络透传模式。MCU将采集到电池信息通过串口发到通信模块上,再经过透传传输到终端上。4G模块电路如图5所示。

3 软件设计

3.1 单片机部分软件设计

整个装置的主控制器是STM32F103单片机,主程序首先进行相关的初始化配置,然后采集电池信息,开启故障诊断。若存在故障,会发出相应的故障报警,否则照常将数据发送给4G模块,用于网页显示。单片机软件设计流程图如图6所示。

3.2 后端软件设计

在购买的阿里云服务器上部署Apache Web服务,开启服务后在其上创建站点,配置网站目录;将编写的TCP Server服务器部署在站点目录上,通过访问配置的站点域名即可访问到该项目,从而实现网页实时更新数据。前后端软件设计流程图如图7所示。

3.3 电池信息处理软件设计

数据的处理过程:单片机控制AD7280A、ACS712以及热敏电阻实现对6单体电压、流过电池组电流以及各单体温度信息的采集,经过数据处理后由单片机提取数据并对数据封装成帧,通过串口通信定时将数据通过4G模块与服务器端进行Socket通信,服务器端将接收到的数据用以网页显示。电池信息处理如图8所示。

4 实验结果分析

4.1 电池动态电压检测

为了验证电池状态信息无线传输系统,采用6节电池串联构成电池组,模拟光伏储能路灯供电系统。对6节性能相似的电池放电,其统一放电至截止电压2.5 V,将电池串联,用BMS系统板与电池相连接,保证对电池组进行充电,同时实时对6节电池组的电压进行检测。

充放电仪器使用Arbin电池测量系统,对电池组进行1 C恒定电流充/放电,作为对照数据,对测量电压进行误差分析。

实验中对电池设置单体电压上限为3.6 V,当某节电池达到上限后停止充电,充电方式为5 A恒流充电。在充电结束后,对电池组再进行5 A恒流放电,当某节电池电压达到预设的最低电压2.5 V时停止放电。放电停止后,将Arbin电池测量系统与BMS所采集的充/放电过程中采集到的电压分别提取,并进行数据分析。

对BMS所测电池数据和Arbin所测电池数据进行对比。电池电压对比如图9所示。

由图9可见,在对电池进行充电动态电压测试时,电池误差在平稳处最大误差不超过6 mV。

通过分析发现,BMS在电池电压平稳处能够稳定在低于8 mV内的误差,在开始放电与结束放电的2个结点处有较大误差量,初步判断误差产生的原因是两组测量数据的测量时间点略有偏差,故在对两组数据进行比较时无法完全对齐,电压突然变化就会产生较大的偏差量,并不影响实际使用时的测量准确度。