海洋儀器電池管理嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)※＊

呂斌，劉杰，賀海靖，曲君樂，吳承璇

（山東省科學(xué)院 海洋儀器儀表研究所，青島266001）

引 言

本文提出了一種海洋儀器電池管理嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)具有多種通信方式，可實(shí)現(xiàn)電池組安裝完成后的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)、診斷及提前預(yù)示電池性能趨勢(shì)，并可在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)每節(jié)電池電壓、電池組分組電壓、充放電電流和溫度，數(shù)據(jù)采集快速準(zhǔn)確。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

海洋儀器電池管理嵌入式系統(tǒng)以ARM9處理器作為硬件電路核心控制單元，并移植嵌入Linux操作系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)在線快速巡檢監(jiān)控電池組性能，并將電池組數(shù)據(jù)及故障情況及時(shí)上傳給現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控PC。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控PC可通過RS232、RS485、以太網(wǎng)LAN及 WiFi無線通信方式采集電池各項(xiàng)數(shù)據(jù)，而遠(yuǎn)程監(jiān)控PC則以GPRS/CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)及北斗衛(wèi)星通信定位網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，主要分為遠(yuǎn)程信息服務(wù)中心及BMS終端兩部分。信息服務(wù)中心可通過分析上傳數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池工作狀態(tài)，測(cè)繪電流、電壓、剩余電量及溫度曲線。若某臺(tái)海洋儀器的電池溫度、電壓和電流處于非正常狀態(tài)，則馬上發(fā)出報(bào)警信息，并根據(jù)故障類型實(shí)現(xiàn)充放電控制、電池組自修復(fù)與調(diào)整、散熱等控制管理功能。信息服務(wù)中心建立數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)所有BMS終端上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行備份與管理[3]。整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖略——編者注。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)方案

海洋儀器BMS終端采用三星公司基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440A作為系統(tǒng)中央處理器，配備256 MB的SDRAM、256 MB的NAND FLASH和32 MB的NOR FLASH，以應(yīng)對(duì)嵌入Linux操作系統(tǒng)及保存數(shù)據(jù)所消耗的內(nèi)存。S3C2440A集成了 MMC/SD卡讀寫控制器、LCD與觸摸屏接口、3路UART串口、1路主控與1路從動(dòng)USB接口、1個(gè)IDE接口可掛接大容量硬盤、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、多至130個(gè)通用I/O口等豐富硬件資源[4]。

BMS終端硬件系統(tǒng)主要包括AC/DC與DC/DC電源模塊、ARM9處理器、WiFi通信模塊及天線、可擴(kuò)展GPRS及北斗衛(wèi)星通信模塊、LAN、RS485、USB、LCD液晶觸摸屏、FLASH存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路及現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警控制等功能模塊，硬件設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示。

圖1 BMS終端硬件整體框圖

S3C2440A通過RS485接口實(shí)時(shí)采集多路電池巡檢單元單體電池及電池組的電壓、充放電電流及溫度，并將數(shù)據(jù)打包，通過 WiFi無線模塊、LAN、RS485、GPRS或北斗衛(wèi)星等多種通信方式上傳給現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控PC；S3C2440A對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，可有效預(yù)測(cè)出各節(jié)電池及電池組的供電性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)性能嚴(yán)重劣化故障電池，立即進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，掌握電池組的運(yùn)行狀態(tài)，為電池組“精細(xì)”維護(hù)提供測(cè)量依據(jù)。同時(shí)S3C2440A可驅(qū)動(dòng)繼電器控制單元，“剔除”故障或損壞的電池，保證系統(tǒng)測(cè)試的正常運(yùn)行。S3C2440A還可將接收的數(shù)據(jù)與報(bào)警信息存儲(chǔ)到FLASH中，BMS終端設(shè)有USB接口，可外接WiFi通信模塊，亦可接U盤將數(shù)據(jù)與信息讀出，進(jìn)行數(shù)據(jù)備份。

此外，BMS終端除了必要的AC/DC與DC/DC電源隔離模塊、還擁有LCD觸摸液晶屏人機(jī)對(duì)話接口，可進(jìn)行必要的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、報(bào)警信息和電池?cái)?shù)據(jù)參數(shù)顯示。BMS終端還擁有RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，方便試驗(yàn)人員記錄試驗(yàn)時(shí)間，生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

BMS終端電路系統(tǒng)涵蓋眾多功能模塊，下面僅詳細(xì)論述電池監(jiān)測(cè)電路、WiFi通信模塊電路的硬件設(shè)計(jì)方案。

2.2 電池監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

電池監(jiān)測(cè)芯片采用美信公司生產(chǎn)的DS2438，該芯片內(nèi)部集成了溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、電流積分器等電路，具有測(cè)量電池的溫度、電壓、電流和累計(jì)電量等多項(xiàng)功能。DS2438通過2字節(jié)的溫度寄存器實(shí)現(xiàn)數(shù)字式測(cè)溫。測(cè)溫分辨率可配置為9、10、11或l2位，默認(rèn)為l2位分辨率，其對(duì)應(yīng)的溫度分辨率為0.062 5℃[5]。

DS2438為了跟蹤監(jiān)測(cè)電池的剩余電量（State Of Charge，SOC）而使用了一個(gè)集成電流累加器ICA（Integrated Current Accumulator）。ICA是一個(gè)累積電池使用后的全部流入與流出電池電流的寄存器。電池電流是通過每27.46 ms測(cè)量1次外接電阻Rs上的電壓獲得的，根據(jù)此電壓值的正、負(fù)而將其累積加入或減入ICA寄存器中。通過S3C2440A讀流入和流出ICA寄存器里的數(shù)值就可以求出電池剩余電量[6]。

由于DS2438測(cè)量的電流量較小，BMS終端采用LEM公司生產(chǎn)的LA130-P閉環(huán)霍爾電流傳感器，其輸出電流有效值是130 mA，原邊額定有效值電流為130 A[7]。海洋儀器 BMS終端電池監(jiān)測(cè)電路原理圖如圖2所示。

圖2 電池監(jiān)測(cè)電路原理圖

圖2中，LA130-P由±12 V DC供電，電池組的供電線路穿過LA130-P通孔，C4、C5構(gòu)成電容濾波電路，DS2438通過測(cè)量Rs的正負(fù)電壓累積計(jì)入ICA，用以測(cè)量電池電流與剩余電量。測(cè)量電池組輸出電壓通過R5、R6電阻分壓，再經(jīng)過TLV2211IDBVT運(yùn)放跟隨器，最后通過2個(gè)保護(hù)二極管進(jìn)入DS2438的A/D通道Vad引腳。DS2438本身還集成溫度傳感器，可測(cè)量BMS終端溫度。DS2438的DQ引腳與S3C2440A的GPE2引腳相連，構(gòu)成1-wire通信方式，可將測(cè)得電池的溫度、電壓、電流和累計(jì)電量等數(shù)據(jù)發(fā)送給S3C2440A，并接收S3C2440A的控制指令與設(shè)置參數(shù)。

2.3 WiFi通信模塊電路設(shè)計(jì)

WiFi無線通信模塊選用英蓓特科技有限公司的WF8000-U，該 模 塊 使 用 USB HOST2.0 接 口，基 于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議開發(fā)，高度集成MAC/BBP和2.4 GHz射頻單芯片。WiFi無線通信模塊實(shí)物圖略——編者注。

WiFi無線通信模塊USB接口電路原理圖如圖3所示。圖3中，22Ω電阻R30、R31在串行數(shù)據(jù)通信時(shí)起到緩沖抗干擾作用。而電容C3、R32與C38、R33構(gòu)成RC濾波電路，確保USB高速串行數(shù)據(jù)通信的可靠性。C35、C36為USB接口金屬外殼對(duì)電源地的濾波電容。

圖3 WF8000-U USB接口電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

海洋儀器BMS終端移植有Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)YAFFS2及底層驅(qū)動(dòng)程序，加載特定的系統(tǒng)引導(dǎo)程序Bootloader與BMS終端應(yīng)用程序后，可實(shí)現(xiàn)功能完善的電池管理應(yīng)用要求[9]。

3.1 Linux在電池管理系統(tǒng)上的移植

Linux具有可裁減性，是真正的多任務(wù)、虛擬內(nèi)存、共享庫(kù)、內(nèi)存管理內(nèi)核[10]，可高效運(yùn)行海洋儀器BMS終端電池管理主程序，并與其他子任務(wù)同步并發(fā)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)海洋儀器電池管理嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)電池管理的軟件功能，Linux系統(tǒng)共創(chuàng)建5個(gè)任務(wù)，包括電池管理監(jiān)控主任務(wù)、無線與有線通信任務(wù)、MiniGUI圖形界面及鍵盤設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)、電池故障應(yīng)急處理、均衡管理及動(dòng)態(tài)維護(hù)任務(wù)，如圖4所示。

3.2 BMS終端Linux系統(tǒng)程序主框架設(shè)計(jì)

在Linux操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)的嵌入式電池管理系統(tǒng)各任務(wù)與Linux內(nèi)核及相互之間配合運(yùn)行的關(guān)系如圖5所示[11]。根據(jù)電池管理系統(tǒng)的功能要求，在Linux系統(tǒng)中建立的任務(wù)包括電池管理監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集與故障診斷任務(wù)及數(shù)據(jù)通信等任務(wù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 BMS終端電池剩余電量測(cè)量的標(biāo)定

圖4 BMS終端移植Linux系統(tǒng)功能模塊框圖

圖5 BMS終端移植Linux系統(tǒng)程序主框架設(shè)計(jì)圖

目前常用的電池電量測(cè)試方法包括密度法、開路電壓法、內(nèi)阻法、電量累計(jì)（安時(shí)法）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、卡爾曼濾波法等[12]。由于BMS終端設(shè)計(jì)有DS2438，其本身集成電流累加器ICA，因此本文在安時(shí)法基礎(chǔ)上，使用LA130-P精確測(cè)量電池輸出電流，并啟動(dòng)S3C2440A內(nèi)置定時(shí)器中斷準(zhǔn)確計(jì)時(shí)，通過測(cè)量電阻Rs的電壓估算電池初始容量如圖3所示，濾除DS2438前端檢測(cè)初始漏電流、系統(tǒng)電源尖峰毛刺等背景噪聲，使安時(shí)法在較大范圍內(nèi)有較高的精度。SOC即為電池剩余電量與其總?cè)萘恐龋O(shè)電池充放電起始電量為Qini，電池的額定容量為Q0，電池運(yùn)行過程中的電流為I，則電流積分計(jì)算SOC的公式為[13]：

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

SOC標(biāo)定用鋰電池型號(hào)為PEG-05N（3.6 V，5 Ah），則Q0為18 000（A·s）。將電池由滿充狀態(tài)下完全放電，通過S3C2440A讀取DS2438的ICA值，記錄其放電量為187.859（A·s）；然后再將電池持續(xù)充電，至滿充狀態(tài)，記錄其充電量為187.867（A·s）；經(jīng)10次充放電過程（忽略溫度影響），取電池充放電量均值187.862（A·s），作為起始電量Qini。表1為BMS終端外接電池滿充狀態(tài)下一個(gè)完全放電過程的SOC測(cè)量數(shù)據(jù)。

將表1中DS2438測(cè)定的電池放電量值、時(shí)間值與通過式（1）計(jì)算出的SOC值，經(jīng)Origin LAB軟件進(jìn)行二階數(shù)據(jù)擬合，得到標(biāo)定曲線如圖6所示。由該圖可以看出，ICA與時(shí)間值曲線、ICA與SOC數(shù)據(jù)曲線基本成線性關(guān)系，證明BMS終端測(cè)定SOC的方法可靠易行。

表1 BMS終端外接電池SOC測(cè)量數(shù)據(jù)

圖6 ICA與SOC數(shù)據(jù)標(biāo)定曲線

結(jié) 語

本文研究實(shí)現(xiàn)的海洋儀器電池管理嵌入式系統(tǒng)，硬件上以ARM9處理器與DS2438為核心，軟件上移植Linux操作系統(tǒng)，能有效實(shí)現(xiàn)BMS系統(tǒng)多種任務(wù)的調(diào)度，實(shí)時(shí)顯示電池各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與數(shù)據(jù)曲線。通過電池ICA與SOC標(biāo)定實(shí)驗(yàn)證明，SOC數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高并呈良好的線形曲線，較好地反映了電池的實(shí)際運(yùn)行狀況。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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