電動通用飛機動力鋰電池監控系統設計

譚元元， 張利國

（1.沈陽航空航天大學航空航天工程學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）

隨著經濟的發展，傳統的能源消耗嚴重，并且造成了嚴重的環境污染。現今，能源危機逐步顯現，人們環保意識的提升，迫切地需要一種新能源來代替傳統能源[1-7]，鋰離子電池以其能量密度高、使用壽命長、自放電小、無記憶效應及單節電池電壓高等諸多優點，迅速成為市場的主流電池產品，越來越受到社會的關注[4-7]。

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

本文就動力鋰電池，即多節串聯動力鋰電池的監控電路的設計應用結合鋰電池的本身特性做出分析。針對通用航空飛機的電源系統具有體積小、質量輕、精度高等特點，對本設計進行了一些優化：使用精度較高的元器件；大規模集成化，減少線的連接；采用Wi-Fi無線傳輸數據，方便安裝。Wi-Fi相對于傳統的無線傳輸來說，具有傳輸范圍廣、受干擾小、傳輸速度快等突出優勢，非常適合通用飛機的機艙環境。

1 硬件設計

1.1 硬件設計框圖與原理

硬件設計框圖如圖1所示。

本設計以TI公司生產的、用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點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的需求。本設計主要包括：采集模塊、數據傳輸模塊、顯示模塊；每個采集模塊可測量電池組的電壓、電流、溫度值，并可以擴展多個采集模塊，至多可擴展16個采集模塊；控制均衡電路對電池組進行電阻均衡；主控芯片將讀取到測量數據，經過內部處理后，通過Wi-Fi傳輸，發送到LCD進行實時顯示。本系統包括監控單元和顯示單元兩大部分。

圖1 硬件框圖

監控單元：采集電池狀態信息，并將采集到的信息通過Wi-Fi發送模塊發送出去。

顯示單元：將Wi-Fi接收模塊接收到的數據顯示。

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、一個高壓輸入多路復用器和一個串行接口。每個LTC6802-2都能測量多達12個串聯連接的獨立電池單元。該器件的專有設計使多個LTC6802-2能串聯疊置，而無需光耦合器或隔離器，從而允許對長串串聯連接電池中的每一節電池進行精確的電壓監視。

本設計采用SPI總線來發送與讀取數據，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、溫度數據電路如圖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。電流的采樣精度對于系統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

由于每個監控模塊電位各不相同，因此需要隔離器在數據傳輸線上進行電氣隔離，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，滿足設計要求；SPI總線連接結構如圖4所示。

圖4 SPI總線連接結構圖

1.5 數據傳輸與顯示電路

Wi-Fi傳輸現已得到了廣泛的應用，具有較大的帶寬，傳輸數據的快速都得到了廣泛的好評。本方案應用Wi-Fi設計，可以省去監控設備與顯示設備之間的連線，使顯示設備在儀表板的安裝更加方便，本文設計數據傳輸帶寬為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標準的無線射頻收發器、TCP/IP協議棧和應用程序，XLW002XWi-Fi模塊提供了非常豐富的接口，方便用戶的設備與模塊連接，包括 UART、SPI、I2C、I2S、MII/RMII。XLW002X Wi-Fi模塊易于集成到最終產品中，加快產品開發，縮短上市時間，為用戶提供一種低成本、可靠的無線解決方案。

采集到的數據，經過主控芯片的處理之后，通過Wi-Fi發送模塊將數據發送。Wi-Fi接收模塊將接收到的數據通過AT89C51處理之后，發送到LCD進行實時顯示電池組溫度和總電壓；考慮到通用飛機內部的環境，液晶顯示器安裝在儀表板上，如果采用傳統的連接方式，需要較長的導線與本系統進行連接，采用的導線比較多，這樣就會增加質量，而Wi-Fi傳輸不需要布線，因此，本文中數據傳輸采用Wi-Fi，大大簡化了設計電路，也減輕了質量（圖5）。

2 軟件設計

圖5 數據傳輸與顯示電路

是最為關鍵的一步。因為只有保證可靠的通信，主控芯片才能夠控制LTC6802-2進行電芯電壓、溫度采集以及控制均衡電路的開啟和關閉。LTC6802-2支持可尋址，因此大大簡化了操作LTC6802-2的相關代碼，只需向SPI總線發送的數據包中加入目標地址即可。

芯片在上電以后，先進行初始化，然后對各采集單元發送采集命令，并開始執行采集任務，完成12節鋰電池的采集任務需要13ms左右，采集任務完成之后，LTC6802-2將數據發送到主控芯片，主控芯片對數據進行處理后，將數據發送到LCD進行實時循環顯示。主程序流程圖如圖6所示。

3 結論

大功率高電壓的動力鋰電池組在電動力通用飛機上的應用越來越多，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的鋰離子電池監控系統設計，本設計可實現各采集模塊對模塊內所有電池數據的刷新速度達到13ms，經過仿真以及實驗測試，采集電路誤差可控制在3%以內。并且，對Wi-Fi傳輸進行了不同距離的傳輸測試，結果表明在10m范圍內的數據傳輸非常穩定，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

[1]孫德全，黃才勇.空間鋰離子蓄電池的特點及其管理模式[J].電源技術，2005,29（10）：687-690.

[2]周鵬.動力鋰電池的充電及保護應用[J].電源技術，2012，36（5）：648-649.

[3]徐昕晨，彭月祥，邢曉喬.LTC6802-2在高壓鋰電池組測控系統中的應用[J].電源技術，2012,36（6）：806-809.

[4]王有珺,張維戈,王占國.LTC6802在電池管理系統中的應用[J].微處理機，2011,4（2）：76-80.

[5]梁海濱，吳登娥，呂國輝.基于LTC6802的磷酸鐵鋰電池采集系統[J].新器件新技術，2011（6）：37-40.

[6]張金頂，王太宏，龍澤，等.基于MSP430單片機的12節鋰電池管理系統[J].電源技術，2011,35（5）：514-516.

[7]崔張坤,梁英,龍澤,等.鋰電池組單體電壓采集電路的設計[J].沈陽理工大學報,2011，6(3)：29-33.