王吉中，刘阳春，赵 博，邢高勇，汪凤珠，李 阳

(中国农业机械化科学研究院，北京 100083)

0 引言

随着锂电池技术的不断发展，锂电池的放电电压稳定、体积能储比例高、低放电损耗、循环充放寿命较长等优点逐渐被各行业应用所发现。其广泛应用于各种终端如手机、pos机、相机、笔记本等小型设备中。对于一些供电要求较高的应用场景如基站、电动汽车、动力电源和备用电源等，稳定的大容量锂电池是较为普遍的选择。得益于动力电池的广泛应用，锂电池管理系统BMS技术也日渐成熟，成本持续降低，应用可扩展性持续提高。

单节锂电池电压为3.7 V，大容量使用场合需要将多个锂电池串并联供电，由于锂电池个体内部特性差异的存在，在较大负载使用时会出现电池充放电不统一，无法实现设计容量需求，严重缩短电池使用寿命，甚至引发电池爆炸等危险[1]。本次所应用的渔场投饲机，负载较大，对电池的负载能力要求较高，因此，需要一种较为稳定的大电流、大功率电源管理系统对电池组进行充放电的保护。

本研究设计一种由电池管理系统BMS与LORA相结合的远距离实时检测锂电池充放电保护系统，实现对多节锂电池构成的电池组过充过放保护、短路保护、电压监测和温度监测等功能[2]。在锂电池组驱动投饲机工作过程中对出现过流、过压等高负载情况可及时关闭放电，以保证电池的安全；远距离监测功能可实时显示电池电压、电量等参数，方便工作人员及时将投饲机回到原点进行电池组充电，极大地解决了投饲机远距离工作时无法查看电池电量，导致无法工作的问题。

1 系统设计

锂电池远距离监测管理系统如图1所示，其主要由多节锂电池组、电池保护IC、控制单元、LORA收发模块和屏幕显示端上位机组成。电池组使用8并13串松下18650单体锂电池组成，单节电池电压2.75～4.18 V，容量2.6AH，整体电池组最高容量20.8AH，最高理论工作电压54.34 V，最大持续放电电流60 A，满足投饲机电机驱动功率400 W需求。电池保护IC具有电压检测精度高，过充、过放、过流保护功能，且功耗较低。控制单元主要工作是检测电池组实时温度和电池组单体电池电压值，并进行电池IC的控制，实现电池保护。LORA模块实现与控制单元串口通信，将电池参数数据通过LORA模块发送到远端接收模块。屏幕显示端上位机主要显示LORA接收模块接收到的电池具体数据，方便工作人员查看。

2 硬件设计

本电池管理系统使用的电池管理IC为LAPIS公司的ML5238，其内部逻辑如图2所示。

通过设置CS0、CS1选择所需要管理的锂电池节数，本系统将CS0、CS1设置为低电平，可管理电池单体数为13节；OVS过充保护和恢复电压设置；UVS过放保护和恢复电压设置；CDOV过充检测延时时间设置；CDUV过放检测延时时间设置；C-FET充电控制MOS开关控制；D-FET放电控制MOS开关控制；ISENSE过电流保护控制输入端；通过以上引脚的逻辑控制可实现锂电池的过充、过放、过流等保护[2]。

电源管理IC与控制单元连接如图3所示，控制器MCU通过SPI总线连接通信，ML5238电源管理IC将检测到的13组锂电池电压值通过SPI总线方式传输给控制器MCU单元，控制单元根据收到电压数据分析判断并对ML5238进行相应的控制，实现锂电池组单体的过流过压等保护。图中的PACK(+)与PACK(-)引脚为电池充放电引脚，MCU的逻辑控制与ML5238电源管理IC的过充、过放等保护都将作用于此两脚处[3]。

图2 ML5238内部逻辑Fig.2 ML5238 internal logic diagram

图3 控制单元连接图Fig.3 Connection diagram of control unit

LORA通信模块与MCU控制单元连接如图4所示，LORA模块使用的是ALIENTEK推出的一款采用SMD封装，体积小、微功率、低功耗、高性能、远距离LORA无线串口模块。模块设计是采用高效的ISM频段射频SX1278扩频芯片，模块工作频率410～441 MHz，以1 MHz频率为步进信道，共32个信道，可通过AT指令在线修改串口速率、发射功率、空中速率、工作模式等各种参数，并且支持固件升级功能。MDO参数设置片选端，AUX模块工作状态，RXD数据接收端，TXD数据发送端，MCU与LORA间通信通过串口RXD、TXD连接，数据发送前需要将LORA模块进行工作模式设置，其模块主要包括以下3种工作模式。

图4 LORA通信连接Fig.4 Lora communication connection

①点对点模式要求地址相同、信道相同、无线速率(非串口波特率)相同的两个模块，一个模块发送，另外一个模块接收(必须是一个发一个收)；每个模块都可以做发送/接收；数据完全透明，所发即所得。②点对多模式要求地址相同、信道相同、无线速率(非串口波特率)相同的模块，任意一个模块发送，其他模块都可以接收到；每个模块都可以做发送/接收。③广播监听模式要求模块地址必须为0XFFFF，则该模块处于广播监听模式，发送的数据可以被相同速率和信道的其他所有模块接收到(广播)；同时，可以监听相同速率和信道上所有模块的数据传输(监听)但广播监听无需地址相同。

根据养殖场投饲机的数量可以进行模式选择，多台投饲机时选用点对多模式，单台投饲机时选用点对点模式，本次设计使用点对点传输方式。

3 软件设计

ML2358在使用时需进行软件设置，电流测量校验步骤如图5所示。①写入IMON寄存器“12H”，并设置电流为零。②当电流为零时外部ADC测量IMON引脚输出电压并将结果存储在变量VIM0中。③写入IMON寄存器“14H”，并设置IMON输出放大的内部参考电压。④外部ADC测量IMON引脚输出电压(放大的内部参考电压)结果存储在变量VIM1中。⑤写入IMON寄存器“1CH”，并设置IMON输出内部参考电压。⑥用外部ADC测量IMON引脚输出电压(输出内部参考电压)结果存储在变量VR中。⑦用VIM0、VIM1、VR计算电压增益和零校正值[3]。电压增益计算如式(1)所示，零校正值如式(2)所示。

图5 ML2358软件校验步骤Fig.5 ML2358 software verification steps

GIM=(VIM1-VIM0)/VR

(1)

VIMZ=VIM0

(2)

LORA模块软件设计流程如图6所示，LORA收发模块进行稳定的通信需要根据传输需要对配对模块进行初始化设置，其主要包括设备地址、信道、发射功率和串口波特率等参数设置[4]。由于本次通信使用透传点对点模式，因此两模块初始化设置基本一致，详见图5所示流程图。

图6 LORA软件参数设置Fig.6 LORA software parameter settings

为满足工作人员能够及时查看电池组的电池单体状态情况，专门设计了锂电池保护板PC监控电池组数据、修改保护板参数等其他功能上位机软件。该软件人性化的操作界面可方便操作者进行各项操作[5-14]。编辑界面如图7所示。

图7 上位机监测界面Fig.7 Host computer monitoring interface

软件窗口主要分为电池信息、参数设置、校准及其他功能；说明详细，字体大小合理，各项列间距大小合理，既方便完全显示所有内容，又方便用户使用。

4 试验测试

投饲机电池组远程管理系统由8并13串锂电池组、电池保护IC、控制单元、LORA收发模块组成，组装调试好电池组如图8所示，其详细组成包括充放电连接线、锂电池、控制保护板、LORA通信模块。

图8 电池组远程管理系统实物Fig.8 Physical diagram of battery pack remote management system

开始试验之前，需要先进行保护板的保护参数设置，配置内容主要有单体过压、单体欠压、整组过压、整组欠压、充电高低温、放电高低温、充电过流及放电过流的保护值、释放值及保护延时。工作者可以根据自己的使用情况自行设置，设置界面如图9所示，设置整组保护过压55.2 V，整组保护欠压35.1 V。

图9 保护参数设置界面Fig.9 Protection parameter setting interface

将电脑连接LORA接收模块，检测锂电池组13组单体电压等参数值，如表1所示。在表1基础上，总电压50.34 V，剩余电量13.4 AH，进行电池组放电试验，选择1 A的放电电流，由理论计计算可知放电时长约14 h。锂电池放电时电压变化如图10所示。

图10 放电电压-时间曲线Fig.10 Discharge voltage-time curve

选用充电电压48 V，电流最大5A充电器对锂电池进行充电试验，充满时间约5 h，充电过程中实时记录充电电流，其充电电流变化趋势如图11所示。

通过充放电试验，分析数据可知，放电过程中，锂电池组电压达到设定的最低电压值35.1 V附近时，停止放电，有效保护电池的过放。在充电过程中，为保护锂电池单体，充电电流呈现过山车式，开始时电流较小，防止电池亏空时充电电流过大而损坏电池单体，在接近240 min时，充电电流减小为0.22A，可判定为电池组电量充满，停止电流输入，过充保护开启。

表1 锂电池充放电前参数

图11 充电电流-时间曲线Fig.11 Charging current-time curve

5 结论

设计的远程锂电池管理系统具有较好的过流、过充、过放、保护功能，使锂电池单体得到精确保护，延长了电池的使用寿命和安全性能；同时解决了因距离过远无法实时检测锂电池状态的难题，方便了喂料工作人员及时发现投饲机电池组电量状况并进行充电，有效节约时间，提高工作效率。