基于WINCE的多功能電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

朱冬華 杜海江

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100083）

蓄電池作為直流備用電源，在交通運(yùn)輸、通信等傳統(tǒng)領(lǐng)域，對系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行有著非常重要的作用[1]；另外在在微電網(wǎng)等新能源發(fā)電領(lǐng)域，蓄電池作為儲能單元，是維持微網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定的關(guān)鍵，同時也是微網(wǎng)系統(tǒng)中比較薄弱的環(huán)節(jié)[2]。為避免蓄電池在長期使用中因品質(zhì)問題而引發(fā)事故，帶來經(jīng)濟(jì)損失[3]，需要一套功能完善的蓄電池管理系統(tǒng)對電池進(jìn)行在線監(jiān)控。

而傳統(tǒng)的蓄電池管理系統(tǒng)大多只有監(jiān)測功能，僅僅是實(shí)時監(jiān)測電池組電流、電壓和溫度，部分含有均衡技術(shù)[4]，在蓄電池日益頻繁使用的今天，此類管理系統(tǒng)很明顯不能保證蓄電池的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。本文旨在設(shè)計一套功能完善的蓄電池管理系統(tǒng)，對蓄電池的充放電環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，適時進(jìn)行均衡和活化管理，提高蓄電池的使用效率，延長其使用壽命，降低整個系統(tǒng)的運(yùn)行成本，進(jìn)一步提高電池組的可靠性。系統(tǒng)基于WINCE嵌入式平臺，采用分層和功能化設(shè)計，包含數(shù)據(jù)采集、充放電控制、均衡控制、活化控制、SOC估算、報警與保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示與處理多種功能，可以具體應(yīng)用選擇組合功能模塊，具有通用性。

1 蓄電池管理系統(tǒng)模塊設(shè)計

本文蓄電池管理系統(tǒng)采用兩層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，底層為物理層，包含數(shù)據(jù)采集，充放電控制，電池均衡；上層為電池管理系統(tǒng)主控制模塊。

圖1 電池管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 底層物理層模塊

底層物理模塊是系統(tǒng)的主要功能的硬件實(shí)現(xiàn)部分，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、充放電控制模塊、均衡控制模塊。每個模塊通過485通信與主控模塊相連，通過主控模塊的控制，每個模塊可以單獨(dú)運(yùn)行或配合使用。

數(shù)據(jù)采集模塊：是整個蓄電池管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)對蓄電池組的基本信息進(jìn)行采集，如蓄電池組的電壓、電流、溫度和各個單體電池的電壓，并通過通信母線將數(shù)據(jù)上傳到主控模塊，充放電控制模塊和均衡控制模塊也可以通過通信母線獲得蓄電池組的基本信息。

充放電控制模塊：實(shí)現(xiàn)對電壓、電流的控制，該模塊可以包含在系統(tǒng)中，也可以由外部充放電控制器實(shí)現(xiàn)。

均衡控制模塊：當(dāng)電池組出現(xiàn)不均衡時，均衡電路開始工作，直到滿足均衡停止的條件。

1.2 上層電池管理系統(tǒng)主控制模塊

上層電池管理系統(tǒng)主控制模塊是整個系統(tǒng)的核心，底層的每個模塊通過主控模塊：監(jiān)控整個蓄電池組的運(yùn)行狀態(tài)，顯示、分析與處理電池數(shù)據(jù)。其主要作用是設(shè)置系統(tǒng)的控制工作方式和工作參數(shù)，并在主界面中顯示當(dāng)前和歷史電池主要信息，是BMS與用戶交流的重要平臺。

2 蓄電池管理系統(tǒng)功能分析

通過主控制模塊的設(shè)置和各功能模塊的組合，可以使該電池管理系統(tǒng)在大多數(shù)運(yùn)行條件下正常運(yùn)行。該系統(tǒng)的功能主要分為以下6個方面：

1）數(shù)據(jù)采集與分析、處理：主要包括對電池組電壓、電流、溫度等基本信息的采集，電池組的信息是電池管理的基礎(chǔ)，顯然，所有電池管理系統(tǒng)都包含數(shù)據(jù)采集功能模塊。

2）充放電控制：蓄電池充電或放電時，蓄電池管理系統(tǒng)能根據(jù)所檢測的電流、電壓、溫度、SOC等參數(shù)，確定蓄電池組的充電或放電狀態(tài)。根據(jù)蓄電池的充電特性與維護(hù)要求，可以控制充電機(jī)的充電過程，實(shí)現(xiàn)智能充電，充放電方法由主控模塊提供，充放電控制模塊實(shí)現(xiàn)功率控制。

3）活化功能：對于性能下降的單體電池可以通過控制充放電過程實(shí)現(xiàn)對電池的活化修復(fù)，活化方法由主控模塊提供，充放電控制模塊實(shí)現(xiàn)功率控制。

4）均衡控制：電池組在使用過程中會出現(xiàn)各個單體不均衡現(xiàn)象，當(dāng)單體蓄電池的SOC差值超過設(shè)定限值時，均衡控制模塊開始工作，直到SOC差值小于限值，均衡啟動的條件由主控模塊控制，各單體電池的 SOC的估算可以由主控模塊完成，也可以由均衡控制模塊完成。

5）SOC估算：根據(jù)蓄電池運(yùn)行過程中的基本參數(shù)，估算蓄電池組的剩余容量，由主控模塊完成。

6）報警與保護(hù)功能：蓄電池在使用過程中，如果有個別蓄電池?fù)p壞或電壓低于正常使用電壓，蓄電池管理管理系統(tǒng)自動報警，并顯示有關(guān)信息，以便操作者及時更換蓄電池。如果蓄電池電壓超過充電上限或放電下限值，則停止充放電并報警，保護(hù)蓄電池不過充、過放；若蓄電池溫度過高則報警并打開風(fēng)扇，從而提高系統(tǒng)的可靠性，延長整個蓄電池組的使用壽命。報警與保護(hù)功能由主控模塊實(shí)現(xiàn)。

3 基于WINCE的主控模塊實(shí)現(xiàn)

主控模塊為電池管理系統(tǒng)的重要組成部分，其主要作用是設(shè)置系統(tǒng)的控制工作方式和工作參數(shù)，并在主界面中顯示當(dāng)前和歷史電池主要信息，是BMS與用戶交流的重要平臺。主控模塊基本功能包括：顯示功能，通信功能，控制功能，基于WINCE的嵌入式平臺，采用Visual Basic設(shè)計工具初步實(shí)現(xiàn)了所設(shè)計功能，歷史數(shù)據(jù)采用SQLCE數(shù)據(jù)庫。

本文以主流嵌入式處理器 AT91SAM9263作為主控制器，其主頻 200MHz，核心板板載 64MB SDRAM，256MB NandFlash，4MB DataFlash，6層板工藝，具有極佳的電氣性能和抗干擾性能，才有3.3V電壓供電。

嵌入式系統(tǒng)Windows CE具有可靠性好、實(shí)時性高、內(nèi)核體積小的特點(diǎn)，不僅支持圖形窗口，具有多媒體功能，而且還可以利用豐富靈活的控件庫。在Windows CE環(huán)境下為嵌入式應(yīng)用建立各種圖形用戶界面，完全可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對人機(jī)界面的需求。

3.1 主控模塊數(shù)據(jù)庫設(shè)計

主控模塊的數(shù)據(jù)庫包含4個表：表1為變量參數(shù)表，包含系統(tǒng)所需的各類工作參數(shù)；表2為事件日志表，包括時間和事件兩個量；表3為歷史參數(shù)表，包括時間、電池序號、電壓、電流和溫度5個字段。表4為從站地址表，包括序號、地址、從站類型和故障標(biāo)志4個字段。根據(jù)分析采用SQLCE數(shù)據(jù)庫。

微軟推出SQL SEVER數(shù)據(jù)庫，功能強(qiáng)大，使用方便。其針對嵌入式設(shè)備的版本為SQL SEVER FOR CE，簡稱SQLCE。它是一個小型的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品，旨在幫助企業(yè)迅速開發(fā)出能夠?qū)?shù)據(jù)管理能力延伸到移動設(shè)備上的應(yīng)用。SQLCE具備強(qiáng)大的檢索查詢能力，它支持用戶熟悉的結(jié)構(gòu)化查詢語言 SQL，提供了與SQL Seerver一致的開發(fā)模型和AAPI，使得移動應(yīng)用的開發(fā)過程更為簡單。具體函數(shù)有創(chuàng)建數(shù)據(jù)表函數(shù)CreateDatabase，添加表函數(shù)CREATTE TABLE，查詢記錄函數(shù)SEELECT，修改函數(shù)updatee等。

3.2 主控模塊功能實(shí)現(xiàn)

用實(shí)物搭建蓄電池管理系統(tǒng)后，用 Microosoft Platform Buuilder 5.0訂制好WINCEE 5.0系統(tǒng)，并下載到ARM99上。然后用VB2005編寫出整個監(jiān)控系統(tǒng)的測試界面，從而下載到WINCEE系統(tǒng)中，測試監(jiān)控系統(tǒng)的功能和運(yùn)行控制效果。

1）顯示功能

系統(tǒng)顯示功能包括主監(jiān)控界面，參數(shù)修改，詳細(xì)數(shù)據(jù)查詢。如圖2所示。

圖2 主控模塊顯示功能示意圖

2）通信功能

主控模塊通過485通信線實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)通信。通過基本參數(shù)修改中的通信參數(shù)界面設(shè)置建立與從站的串口通信。用戶通過參數(shù)修改界面，設(shè)置電池的額定電壓、容量、保護(hù)值、充電電壓電流等各種工作參數(shù)。通過工作模式的選擇，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)度。

3）控制功能

主控模塊有兩種工作模式，分別是自動模式和手動模式。其中自動模式指系統(tǒng)啟動后按預(yù)定的工作方式和預(yù)定的參數(shù)自動工作，手動模式需手動啟動，才能運(yùn)行當(dāng)前工作方式。工作方式分充電、放電、均衡、活化，其中均衡能與其他三項(xiàng)同時運(yùn)行。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證電池管理系統(tǒng)的有效性和可靠性，按照圖1搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺，進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試實(shí)驗(yàn)。各功能模塊單元與ARM板上的主控單元通過 485串口通信連接，根據(jù)選擇的充放電單元與均衡模塊，在主控界面中設(shè)定系統(tǒng)的充放電參數(shù)及均衡模式，并通過主界面中開關(guān)按鈕，控制系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)運(yùn)行主界面如下，基本信息顯示當(dāng)前工作模式和工作狀態(tài)、開機(jī)時間和當(dāng)前時間，主界面下半部分以表格和柱形圖形式顯示各個單體電池實(shí)時參數(shù)。

圖3 系統(tǒng)運(yùn)行主界面

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電池管理系統(tǒng)設(shè)計功能全面，通用性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)多種狀況下電池的正常監(jiān)測與控制，保證蓄電池的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

5 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有電池管理系統(tǒng)功能不夠全面、通用性不強(qiáng)的問題，本系統(tǒng)基于WINCE和ARM平臺，設(shè)計了一套功能全面的電池管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用分層結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計，包含了數(shù)據(jù)采集、充放電控制、均衡控制、活化控制、SOC估算、報警與保護(hù)、數(shù)據(jù)顯示與處理多種功能，并可根據(jù)需求靈活組合，可以應(yīng)用在微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)，電動汽車充電場合，具有通用性和靈活性。

[1]雷晶晶,等.動力鋰離子電池管理系統(tǒng)的研究進(jìn)展[J]].電源技術(shù),20010(11).

[2]關(guān)曉慧,呂躍剛.間歇性可再生能源發(fā)電中的儲能技術(shù)研究[J].能源與節(jié)能,20111(02).

[3]符曉玲,商云龍,崔納新. 電動汽車電池管理系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力電子技術(shù),2011,45(112):27-31.

[4]岳仁超,王艷.電池管理系統(tǒng)設(shè)計[J].低壓電器, 2010(3)::31-34.