電動通用飛機(jī)動力鋰電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚元元， 張利國

（1.沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部航空宇航制造工程，遼寧沈陽110136；2.遼寧通用航空研究院，遼寧沈陽110136）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的能源消耗嚴(yán)重，并且造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。現(xiàn)今，能源危機(jī)逐步顯現(xiàn)，人們環(huán)保意識的提升，迫切地需要一種新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源[1-7]，鋰離子電池以其能量密度高、使用壽命長、自放電小、無記憶效應(yīng)及單節(jié)電池電壓高等諸多優(yōu)點(diǎn)，迅速成為市場的主流電池產(chǎn)品，越來越受到社會的關(guān)注[4-7]。

鋰離子電池幾乎壟斷了整個手機(jī)行業(yè)，其突出的表現(xiàn)受到人們的一致贊同。在此基礎(chǔ)上，多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)的高壓電池組作為代替燃料的綠色能源，在工業(yè)和運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，例如電動自行車、電動汽車、電動力飛機(jī)等。動力電池多作為動力源應(yīng)用，一般要100只左右電芯串聯(lián)。若采用傳統(tǒng)的電池工作狀態(tài)采集芯片，所需芯片的數(shù)量將很大，會大大增加成本[4]。電動力通用飛機(jī)所需要的動力電池電壓高、電流大，采集精度要求高，這都對本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了難度。

本文就動力鋰電池，即多節(jié)串聯(lián)動力鋰電池的監(jiān)控電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用結(jié)合鋰電池的本身特性做出分析。針對通用航空飛機(jī)的電源系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、精度高等特點(diǎn)，對本設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些優(yōu)化：使用精度較高的元器件；大規(guī)模集成化，減少線的連接；采用Wi-Fi無線傳輸數(shù)據(jù)，方便安裝。Wi-Fi相對于傳統(tǒng)的無線傳輸來說，具有傳輸范圍廣、受干擾小、傳輸速度快等突出優(yōu)勢，非常適合通用飛機(jī)的機(jī)艙環(huán)境。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)框圖與原理

硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

本設(shè)計(jì)以TI公司生產(chǎn)的、用于控制的高性能、多功能、高性價(jià)比的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812為主控芯片，其具有SPI、SCI、ADC等豐富的外部接口，完全可以滿足本系統(tǒng)的需求。本設(shè)計(jì)主要包括：采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、顯示模塊；每個采集模塊可測量電池組的電壓、電流、溫度值，并可以擴(kuò)展多個采集模塊，至多可擴(kuò)展16個采集模塊；控制均衡電路對電池組進(jìn)行電阻均衡；主控芯片將讀取到測量數(shù)據(jù)，經(jīng)過內(nèi)部處理后，通過Wi-Fi傳輸，發(fā)送到LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。本系統(tǒng)包括監(jiān)控單元和顯示單元兩大部分。

圖1 硬件框圖

監(jiān)控單元：采集電池狀態(tài)信息，并將采集到的信息通過Wi-Fi發(fā)送模塊發(fā)送出去。

顯示單元：將Wi-Fi接收模塊接收到的數(shù)據(jù)顯示。

1.2 單體電壓與溫度采集電路

LTC6802-2是一款完整的電池測量IC，包含一個12位ADC、一個精確的電壓基準(zhǔn)、一個高壓輸入多路復(fù)用器和一個串行接口。每個LTC6802-2都能測量多達(dá)12個串聯(lián)連接的獨(dú)立電池單元。該器件的專有設(shè)計(jì)使多個LTC6802-2能串聯(lián)疊置，而無需光耦合器或隔離器，從而允許對長串串聯(lián)連接電池中的每一節(jié)電池進(jìn)行精確的電壓監(jiān)視。

本設(shè)計(jì)采用SPI總線來發(fā)送與讀取數(shù)據(jù)，每一個LTC6802-2配置一個4位地址，以便于主控芯片尋址。電池均衡方式采用電阻均衡，溫度傳感器采用熱敏電阻；采集電壓、溫度數(shù)據(jù)電路如圖2所示。

圖2 采集電路

1.3 電池組總電壓、電流采集電路

TMS320F2812共有16個12位A/D輸入通道，可配置成兩個獨(dú)立的8通道，這里選用ADCINA[0…7]為電壓輸入通道，ADCINB[0…7]為電流輸入通道。

在電源管理系統(tǒng)中，總電壓采集不需要太高的精度，但誤差也不能太大，由于TMS320F2812的ADC模塊輸入電壓為0～3 V，需要配置一個電阻進(jìn)行分壓，普通的電阻溫漂誤差過大，這里使用精密電阻。

電流的監(jiān)測相對于電壓和溫度來說，具有采樣通道少，采樣頻率高的特點(diǎn)。電流的采樣精度對于系統(tǒng)的安全性具有重要的影響。選用霍爾型電流傳感器，采樣精度較高，可以滿足要求。

在電源管理系統(tǒng)中，電壓與電流的檢測容易受到電磁干擾，模擬電路的抗干擾性比較差，針對這樣的干擾，最好的方法是加入濾波器，把高頻的信號變化濾除。選用LM358作為A/D濾波調(diào)理電路，其電路圖如圖3所示。

圖3 濾波電路

1.4 SPI總線電路

由于每個監(jiān)控模塊電位各不相同，因此需要隔離器在數(shù)據(jù)傳輸線上進(jìn)行電氣隔離，LTC6802-2串口通信頻率為1 MHz，本文中采用的隔離器為ADUM1411，其頻率范圍為1～10 MHz，滿足設(shè)計(jì)要求；SPI總線連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SPI總線連接結(jié)構(gòu)圖

1.5 數(shù)據(jù)傳輸與顯示電路

Wi-Fi傳輸現(xiàn)已得到了廣泛的應(yīng)用，具有較大的帶寬，傳輸數(shù)據(jù)的快速都得到了廣泛的好評。本方案應(yīng)用Wi-Fi設(shè)計(jì)，可以省去監(jiān)控設(shè)備與顯示設(shè)備之間的連線，使顯示設(shè)備在儀表板的安裝更加方便，本文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸帶寬為1 M/s，使用Wi-Fi傳輸完全可以滿足要求。

采用XLW002XWi-Fi模塊：該模塊集成了MCU、符合802.11 b/g 2.4G標(biāo)準(zhǔn)的無線射頻收發(fā)器、TCP/IP協(xié)議棧和應(yīng)用程序，XLW002XWi-Fi模塊提供了非常豐富的接口，方便用戶的設(shè)備與模塊連接，包括 UART、SPI、I2C、I2S、MII/RMII。XLW002X Wi-Fi模塊易于集成到最終產(chǎn)品中，加快產(chǎn)品開發(fā)，縮短上市時(shí)間，為用戶提供一種低成本、可靠的無線解決方案。

采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)過主控芯片的處理之后，通過Wi-Fi發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送。Wi-Fi接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過AT89C51處理之后，發(fā)送到LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示電池組溫度和總電壓；考慮到通用飛機(jī)內(nèi)部的環(huán)境，液晶顯示器安裝在儀表板上，如果采用傳統(tǒng)的連接方式，需要較長的導(dǎo)線與本系統(tǒng)進(jìn)行連接，采用的導(dǎo)線比較多，這樣就會增加質(zhì)量，而Wi-Fi傳輸不需要布線，因此，本文中數(shù)據(jù)傳輸采用Wi-Fi，大大簡化了設(shè)計(jì)電路，也減輕了質(zhì)量（圖5）。

2 軟件設(shè)計(jì)

圖5 數(shù)據(jù)傳輸與顯示電路

是最為關(guān)鍵的一步。因?yàn)橹挥斜ＷC可靠的通信，主控芯片才能夠控制LTC6802-2進(jìn)行電芯電壓、溫度采集以及控制均衡電路的開啟和關(guān)閉。LTC6802-2支持可尋址，因此大大簡化了操作LTC6802-2的相關(guān)代碼，只需向SPI總線發(fā)送的數(shù)據(jù)包中加入目標(biāo)地址即可。

芯片在上電以后，先進(jìn)行初始化，然后對各采集單元發(fā)送采集命令，并開始執(zhí)行采集任務(wù)，完成12節(jié)鋰電池的采集任務(wù)需要13ms左右，采集任務(wù)完成之后，LTC6802-2將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控芯片，主控芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)循環(huán)顯示。主程序流程圖如圖6所示。

3 結(jié)論

大功率高電壓的動力鋰電池組在電動力通用飛機(jī)上的應(yīng)用越來越多，而目前的管理芯片大多都是分離元器件，并且種類繁多，功能也各不相同。本文介紹了基于DSP的鋰離子電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)各采集模塊對模塊內(nèi)所有電池?cái)?shù)據(jù)的刷新速度達(dá)到13ms，經(jīng)過仿真以及實(shí)驗(yàn)測試，采集電路誤差可控制在3%以內(nèi)。并且，對Wi-Fi傳輸進(jìn)行了不同距離的傳輸測試，結(jié)果表明在10m范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸非常穩(wěn)定，可靠。在本文中，選用了精度較高的器件，保證了測量的精度，提高了抗干擾能力。

圖6 主程序

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