基于4G無線通信的電池狀態(tài)信息采集系統(tǒng)設(shè)計*

張雨涵, 李若愚, 姜 川, 劉 釗, 孫金磊

(南京理工大學(xué) 自動化學(xué)院, 江蘇 南京 210000)

0 引 言

隨著空氣污染的日益嚴(yán)重,傳統(tǒng)燃油汽車將面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1]。為了解決資源環(huán)境問題,國內(nèi)外工程技術(shù)人員開始加大對電動汽車的研發(fā)[2]。動力電池作為電動汽車的關(guān)鍵部件,是決定汽車動力性、安全性、經(jīng)濟(jì)性以及實用性的重要因素[3-4],因此監(jiān)測人員需要利用電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)實時了解電池的工作狀態(tài),并對其可能存在的故障情況做出預(yù)測與報警。

BMS測量電池的電壓、充放電電流和溫度,并根據(jù)電壓狀態(tài)控制電池的充放電,根據(jù)電流大小提供充放電保護(hù),根據(jù)溫度狀態(tài)推斷電池當(dāng)前的狀態(tài)。XU D P等[5]開發(fā)一款BMS,包括電池電壓/電流等信息采樣電路,并基于安時積分法完成對電池SOC的估計;在試驗室條件下證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,采樣準(zhǔn)確率高,抗干擾性好。MONEIRO V等[6]針對分布式BMS通信過程中容易出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)延遲問題,分析了電池信號的采樣和存儲過程,研究了BMS中的異步機(jī)制;利用主控制器的“全局時鐘”來開發(fā)一種在線同步方法,以盡可能地減少延遲。HE H W等[7]研究了一種基于電化學(xué)模型的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法,用于估算動力電池的荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC);結(jié)果表明,這種算法估算精度高、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。BUCHTA R等[8]指出電池包單體之間的均衡十分重要,基于建立的三階等效電路模型,研究電池均衡控制方法。

近幾年,無線通信技術(shù)發(fā)展迅猛,各類無線產(chǎn)品有望滲透到各行各業(yè)。由于4G模塊穩(wěn)定、可靠、可以實現(xiàn)多用途融合等特點[9],4G無線通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分豐富[10]。本文針對偏遠(yuǎn)地區(qū)串聯(lián)電池組供電系統(tǒng)電池維護(hù)和狀態(tài)回傳受限的實際問題,設(shè)計和開發(fā)基于4G無線通信的電池狀態(tài)信息采集系統(tǒng)。其設(shè)計難點:實時獲取電池狀態(tài)并定時發(fā)送電池狀態(tài)信息;實現(xiàn)隨時隨地電池狀態(tài)信息查詢;采集系統(tǒng)適用于不同溫度環(huán)境。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

使用STM32F103作為總處理器,完成電壓、電流檢測并且控制電池的充放電。用AD7280A芯片對電池電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,通過串口通信與單片機(jī)相連,進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)傳輸。利用ACS712霍爾電流傳感器采集充電或者放電電流,然后利用4G模塊,通過串口(UART)與主控制器(MCU)相連接。將測量數(shù)據(jù)經(jīng)過串口打包,經(jīng)由Socket傳輸,將數(shù)據(jù)傳送至接收端?？傮w設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 主要硬件電路設(shè)計

2.1 主控制器最小系統(tǒng)

MCU主控制器是整個電池信息采集系統(tǒng)和4G無線通信的核心,需要實時對電池的電壓、電流和溫度等信息進(jìn)行實時檢測,對這些信號進(jìn)行實時處理,并且控制通信模塊,將信息進(jìn)行實時的傳輸。對于MCU主控制器的選型,需要使用滿足常用的 GPIO 輸入/輸出、定時器中斷、外部中斷、SPI、串口通信、PWM 輸出等功能的單片機(jī)。采用微處理器STM32F103,其是一款基于ARM的32位Cortext M3內(nèi)核單片機(jī),工作頻率為72 MHz,內(nèi)置高速存儲器、豐富的I/O端口、3個12位的ADC、 4個通用16位定時器和2個PWM定時器,還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口,與上位機(jī)通過SPI通信,與通信模塊通過串口通信,可工作于-40～105 ℃,供電電壓為2.0～3.6 V,其寬溫度范圍能夠滿足野外多變溫度環(huán)境的實際應(yīng)用需求。主控制器最小系統(tǒng)如圖2所示。

2.2 電壓檢測與均衡電路設(shè)計

目前,集成式電池管理芯片的技術(shù)已相當(dāng)成熟,采用集成芯片測量電池單體電壓既簡化電路設(shè)計,又提高電池采集的精度,降低電池均衡的難度。設(shè)計中使用AD7280A芯片進(jìn)行電池電壓的采集。AD7280A有6個模擬輸入通道、6個輔助ADC輸入,測量的電池電壓精度可達(dá)到±1.6 mV,具有對混合動力電動汽車所裝載鋰離子電池進(jìn)行監(jiān)控所需的全部功能。供電電壓為8～30 V,通過內(nèi)置的高壓多路復(fù)用器來轉(zhuǎn)換模擬輸入,VIN0～VIN6每兩個相近端口的差值便是1節(jié)電池的電壓,即VIN1-VIN0就是第一節(jié)電池的電壓。AD7280A通過SPI通信與MCU相連接,進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)傳輸,通過配置寄存器,寫入命令,控制芯片對電池電壓的采集。其采集速度與4G模塊數(shù)據(jù)幀發(fā)送的頻率均為毫秒級別,而且電池狀態(tài)變化屬于秒級,因此能夠保證發(fā)送的數(shù)據(jù)體現(xiàn)電池狀態(tài)變化。

2.3 電流檢測與開關(guān)控制電路設(shè)計

在電流檢測與開關(guān)控制電路中,利用ACS712霍爾電流傳感器采集充電或放電電流,其常溫下的精度可以達(dá)到1.5%。充電和放電的控制用MCU切換模式。ACS712需要5 V供電,輸出量程為0～5 V,STM32F103為3.3 V供電,在使用時需要電壓的轉(zhuǎn)換,可以用電阻分壓進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換,然后在分壓之后加入一個由LM358運(yùn)算放大器所構(gòu)成的射隨電路,以確保輸出端信號不被影響,從而提高電流的檢測精度。

開關(guān)控制電路主要起到控制電池與外接電路的通斷功能,其通過繼電器SLA進(jìn)行控制,以確保電池在正常工作的情況下與外接電路進(jìn)行連通。當(dāng)設(shè)備檢測到電池狀態(tài)異常的情況,可通過控制繼電器的通斷及時地斷開電池與外接的電路連接,確保用電的安全性。繼電器控制信號需要高達(dá)12 V的電壓才能夠使其閉合,需要由MCU對其進(jìn)行控制,中間要通過控制TLP152光耦繼電器的通斷來間接地控制12 V信號的閉合,從而實現(xiàn)控制SLA繼電器的通斷。電流檢測與開關(guān)控制電路如圖3所示。

2.4 電源模塊電路設(shè)計

選擇12 V供電電壓作為整個系統(tǒng)的電源來源,在該電壓基礎(chǔ)上要對供電電壓進(jìn)行降壓處理,使電壓降低到系統(tǒng)所需要的電壓。整個電路系統(tǒng)中所需要的電壓分為5、3.3和12 V,對此使用電源芯片設(shè)計電源模塊電路。4G模塊所需供電為12 V,無需降壓處理。其他模塊所需的供電電壓通過兩個降壓芯片對12 V進(jìn)行降壓處理,第一個降壓芯片將電壓降到5 V,再經(jīng)過另一個電壓芯片進(jìn)行處理將5 V降到3.3 V。第一個降壓芯片使用LM2596S芯片。LM2596S芯片有很多種類型,可以將電壓降到5、3.3、3、2.85 V等,本文選用穩(wěn)定到5 V的芯片;第二片選擇AMS1117芯片,將5 V電壓穩(wěn)定到3.3 V。

主控制芯片因為要使用AD功能,所以在AD供電引腳處引入比較穩(wěn)定的電壓,防止AD的使用誤差過大。這里使用REF3030參考電壓芯片輸出3 V高精度電壓,作為STM32F103的AD功能的供電于電壓參考。

REF3030穩(wěn)壓電路如圖4所示。

2.5 4G模塊電路設(shè)計

4G模塊采用的是WH-LTE-7S4V2芯片,其適用于移動、聯(lián)通、電信4G網(wǎng)絡(luò)制式,以“透傳”作為功能核心,可方便、快速地集成于設(shè)計系統(tǒng)中。將單片機(jī)與4G模塊RX與TX連接,通過對串口進(jìn)行設(shè)置,實現(xiàn)串口與MCU的雙向數(shù)據(jù)傳輸;支持自定義注冊包、心跳包等功能,協(xié)調(diào)單片機(jī)采集數(shù)據(jù)和4G模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率;支持兩路Socket連接,實現(xiàn)與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互,為網(wǎng)頁端顯示提供數(shù)據(jù),能隨時隨地通過訪問網(wǎng)頁來查看電池的信息。設(shè)計采用網(wǎng)絡(luò)透傳模式。MCU將采集到電池信息通過串口發(fā)到通信模塊上,再經(jīng)過透傳傳輸?shù)浇K端上。4G模塊電路如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 單片機(jī)部分軟件設(shè)計

整個裝置的主控制器是STM32F103單片機(jī),主程序首先進(jìn)行相關(guān)的初始化配置,然后采集電池信息,開啟故障診斷。若存在故障,會發(fā)出相應(yīng)的故障報警,否則照常將數(shù)據(jù)發(fā)送給4G模塊,用于網(wǎng)頁顯示。單片機(jī)軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。

3.2 后端軟件設(shè)計

在購買的阿里云服務(wù)器上部署Apache Web服務(wù),開啟服務(wù)后在其上創(chuàng)建站點,配置網(wǎng)站目錄;將編寫的TCP Server服務(wù)器部署在站點目錄上,通過訪問配置的站點域名即可訪問到該項目,從而實現(xiàn)網(wǎng)頁實時更新數(shù)據(jù)。前后端軟件設(shè)計流程圖如圖7所示。

3.3 電池信息處理軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)的處理過程:單片機(jī)控制AD7280A、ACS712以及熱敏電阻實現(xiàn)對6單體電壓、流過電池組電流以及各單體溫度信息的采集,經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后由單片機(jī)提取數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)封裝成幀,通過串口通信定時將數(shù)據(jù)通過4G模塊與服務(wù)器端進(jìn)行Socket通信,服務(wù)器端將接收到的數(shù)據(jù)用以網(wǎng)頁顯示。電池信息處理如圖8所示。

4 實驗結(jié)果分析

4.1 電池動態(tài)電壓檢測

為了驗證電池狀態(tài)信息無線傳輸系統(tǒng),采用6節(jié)電池串聯(lián)構(gòu)成電池組,模擬光伏儲能路燈供電系統(tǒng)。對6節(jié)性能相似的電池放電,其統(tǒng)一放電至截止電壓2.5 V,將電池串聯(lián),用BMS系統(tǒng)板與電池相連接,保證對電池組進(jìn)行充電,同時實時對6節(jié)電池組的電壓進(jìn)行檢測。

充放電儀器使用Arbin電池測量系統(tǒng),對電池組進(jìn)行1 C恒定電流充/放電,作為對照數(shù)據(jù),對測量電壓進(jìn)行誤差分析。

實驗中對電池設(shè)置單體電壓上限為3.6 V,當(dāng)某節(jié)電池達(dá)到上限后停止充電,充電方式為5 A恒流充電。在充電結(jié)束后,對電池組再進(jìn)行5 A恒流放電,當(dāng)某節(jié)電池電壓達(dá)到預(yù)設(shè)的最低電壓2.5 V時停止放電。放電停止后,將Arbin電池測量系統(tǒng)與BMS所采集的充/放電過程中采集到的電壓分別提取,并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

對BMS所測電池數(shù)據(jù)和Arbin所測電池數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。電池電壓對比如圖9所示。

由圖9可見,在對電池進(jìn)行充電動態(tài)電壓測試時,電池誤差在平穩(wěn)處最大誤差不超過6 mV。

通過分析發(fā)現(xiàn),BMS在電池電壓平穩(wěn)處能夠穩(wěn)定在低于8 mV內(nèi)的誤差,在開始放電與結(jié)束放電的2個結(jié)點處有較大誤差量,初步判斷誤差產(chǎn)生的原因是兩組測量數(shù)據(jù)的測量時間點略有偏差,故在對兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較時無法完全對齊,電壓突然變化就會產(chǎn)生較大的偏差量,并不影響實際使用時的測量準(zhǔn)確度。

4.2 電池溫度檢測

通過熱敏電阻對電池溫度進(jìn)行采集,溫度-時間變化曲線如圖10所示。

4.3 網(wǎng)頁端數(shù)據(jù)顯示

為了實現(xiàn)隨時讀取電池狀態(tài)信息,在阿里云平臺構(gòu)建網(wǎng)頁實時顯示電池狀態(tài),網(wǎng)頁每隔0.2 s刷新電池的狀態(tài)信息,實現(xiàn)實時監(jiān)測。網(wǎng)頁顯示測試界面如圖11所示。

5 結(jié) 語

針對儲能電池組,設(shè)計了一種基于4G無線通信的電池狀態(tài)信息采集系統(tǒng),實現(xiàn)以下功能:利用STM32F103單片機(jī),實現(xiàn)控制相關(guān)芯片完成電池狀態(tài)信息的采集;實現(xiàn)單片機(jī)與4G模塊之間的串口通信;利用4G模塊,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送;利用阿里云服務(wù)器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收以及網(wǎng)頁實時顯示。

綜合以上結(jié)果,提出的基于4G無線通信的電池狀態(tài)信息采集系統(tǒng)能夠滿足對電池信息的實時監(jiān)測,適用于各種對電池信息需要實時管理的情況。未來將以本文為依托,深入研究更大數(shù)據(jù)量電池儲能系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳與數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),爭取實現(xiàn)規(guī)模化儲能無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。