煤礦機器人用鋰離子電池均衡系統設計

李起偉

（1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

資源短缺、環境污染、生態破壞是全球性的三大危機，這些危機的產生與燃油汽車對資源的消耗和汽車尾氣的排放有不可分割的關系。隨著汽車工業及工業機器人的發展，以電池為動力的汽車及機器人的出現與普及，成了緩解這些危機的一個重要舉措。

隨著社會的發展工業，機器人廣泛應用于各個領域。目前，工業機器人技術取得了顯著的成就，但是煤礦機器人技術遠遠落后于一般工業機器人的發展，尤其是電池均衡管理技術遠遠落后。針對煤礦機器人動力電源設計了一種電池管理系統（Battery Management System，BMS）[1-2]。

1 電池管理系統設計

1.1 框架設計

電池管理系統是一套保護動力電池使用安全的控制系統，最基本的作用是電池信息采集、電池信息分析及控制管理。電池信息采集最重要的是電池電壓采集、電池溫度采集、電池電流采集，BMS 根據采集信息進行電池剩余電量（State of Charg,SOC）估算、電池健康狀態（State of Health，SOH）評估、電池充放電狀態及均衡的控制管理，并將信息存儲、顯示及上傳。電池管理系統基本功能如圖1所示[3-6]。

圖1 電池管理系統

根據電池管理系統功能，對其進行功能模塊設計，主要由CPU 模塊、電壓采集模塊、電池溫度采集、充放電控制、電流采集、通信、顯示及交流檢測等模塊組成，如圖2 所示[7]。

圖2 電池管理系統模塊框架

CPU 模塊是電池管理系統的大腦，對整個系統的工作進行協調控制。電池信息采集是電池管理系統運行的基礎，包括電壓采集模塊、溫度采集模塊、電流采集模塊。電池電壓采集模塊及溫度采集模塊將電池的模擬電壓信號轉化成數字信號通過總線發送給CPU 模塊。電流檢測模塊通過采集電路將模擬信號發送到CPU 模塊的ADC 管腳，CPU 模塊根據采集值計算出充放電電流。顯示模塊通過顯示屏實時顯示電源電壓、電流、溫度、報警、工作狀態等信息。存儲模塊實時存儲重要節點信息。通信模塊通過數據總線與機器人總控制實時交互信息。控制模塊根據CPU 模塊的指令實時控制電源的充放電狀態[8-10]。

1.2 電池管理系統硬件設計

文中BMS 的CPU 模塊采用意法半導體（ST Microelectrionics）的STM32 微控制器，同時選用ADI公司生產的LTC6811-2 作為電壓采集單元的采集芯片。LTC6811-2 最多能夠測量12 個串連電池的電壓，采用16 位ADC，測量精度高達0.04%，可在290 μs 內完成所有電池的測量，休眠模式電源電流低至4 μA。該文針對其中一款煤礦用電動機器人的動力電源，設計了24 支電池串聯，采用兩片LTC6811-2 進行單體電池電壓的測量，電路設計如圖3 所示。

圖3 采集電路設計

如圖3 所示，將電池組1～24 號單體電池通過電壓采集線分別接入1#LTC6811-2 與2#LTC6811-2 的電壓采集管腳C0 到C12。通過加入RC 低通濾波電路及穩壓管，提高LTC6811-2 抗干擾及浪涌能力，提高芯片采集的準確性。根據RC 低通濾波電路的參數計算公式，在下降率為6 dB 時的截止頻率公式為：令R為100 Ω，C為100 nF，可以得出截止頻率為15.9 kHz。同時LTC6811-2 的ADC 選用頻率為7 kHz 的正常操作模式，在正常操作模式下，ADC的分辨率比較高，同時測量誤差與其他模式相比比較低。

1.3 均衡電路設計

目前，比較常見的鋰離子電池組均衡管理的方法有兩種：主動均衡和被動均衡。主動均衡是通過電池間能量的轉移來使各電池電壓和剩余容量趨于一致，實現均衡目的，適用于電池一致性較差的情況。被動均衡是通過對比最低電壓高的電池進行放電，使組內電池與最低電壓趨于一致，實現均衡目的，適用于電池一致性相對較好的情況。該文設計的電池組均衡控制系統即采用主動均衡與被動均衡相結合的方式[11-13]。

圖4 所示為電池組均衡原理圖。圖中均衡充電電路通過控制電路給電池充電，均衡放電電路通過控制電路給電池放電。圖中選擇開關通過控制12個控制電路來選擇某節電池進行均衡，同時控制均衡充電電路或均衡放電電路工作，從而控制某節電池處于主動或被動均衡狀態。

圖4 電池組均衡原理圖

具體實現流程為：電池管理系統（BMS）通過LTC6811-2 實時監測電池組單體電壓，當電源在工作狀態下，電池管理系統實時監測電池組單體電池電壓，通過計算，調節主動均衡與被動均衡的工作狀態，從而達到電池電壓的平衡。

圖4 中被動均衡控制支路包括MOS 管開關電路、被動開關控制電路、第一電阻和第二電阻，MOS管開關電路的輸入端通過所述第一電阻連接至對應單體鋰電池的正極端，MOS 管開關電路的輸出端通過第二電阻連接至對應單體鋰電池的負極端，被動開關控制電路的輸出端連接MOS 管開關電路的控制端，被動開關控制電路的輸入端連接至BMS 的信號輸出端，被動開關控制電路用于根據所述BMS 輸出的控制信號，控制MOS 管開關電路的通斷，實現被動均衡。電路中MOS 管開關電路包括反并聯二極管的P 通道MOS 管，P 通道MOS 管的源極通過第一電阻連接至對應單體鋰電池的正極，P 溝道MOS管的漏極通過所述第二電阻連接至對應單體鋰電池的負極，P 溝道MOS 管的柵極連接至被動開關控制電路。

圖5 中主動均衡控制支路包括選擇開關和主動開關控制電路，電池充電模塊的充電端口通過選擇開關、第一電阻和第二電阻連接至對應單體鋰電池的兩端，主動開關控制電路的信號輸入端連接至BMS 的控制輸出端，主動開關控制電路控制輸出端連接至選擇開關的控制端，主動開關控制電路用于根據BMS 輸出的控制信號，控制選擇開關的動作。電路中選擇開關為繼電器，主動開關控制電路連接繼電器線圈，電池充電模塊的充電端口通過繼電器的兩個常開觸點以及第一電阻和第二電阻連接至相應單體鋰電池的兩端。

圖5 電池組均衡電路圖

2 管理系統軟件設計

2.1 RT-Thread操作系統

RT-Thread 是一款開源實時操作系統，全稱是Real Time-Thread，是一個嵌入式實時多線程操作系統，基本屬性是支持多任務，允許多個任務同時運行。RT-Thread 同時是一個完整的應用系統，包含實時、嵌入式系統相關的各個組件，如TCP/IP 協議棧、libc 接口、圖形用戶界面等。RT-Thread Nano 是RT-Thread 的一個精煉的硬實時內核，支持多任務處理、軟件定時器、信號量、郵箱和實時調度等相對完整的實時操作系統特性，內核占用的ROM 僅為2.5 kB，RAM 為1 kB，適用于32 位入門級MCU。因此，該設計選用了32 位的意法半導體（STMicroelectrionics）的STM32 微控制器作為RT-Thread Nano運行硬件CPU[10]。

2.2 主要線程設計

根據電池管理系統功能設計，系統線程主要包括電壓采集線程、溫度采集線程、電流采集線程、顯示線程、通信線程、存儲線程、控制線程等。其中控制線程包括均衡管理線程、充放電管理線程。該文主要介紹均衡管理線程，流程如圖6 所示[14-16]。

圖6 均衡線程流程圖

如圖6 所示，假如在某個時間點，BMS 監測到單體電池最大壓差超過規定的最大值20 mV，此刻5 號電池為單體電池電壓最低，8 號電池為單體電池電壓最高，BMS 將通過計算最大壓差，如果最大壓差大于30 mV，則控制被動均衡電路進行均衡，從而控制8號單體電池進行放電；如果最大壓差小于30 mV，則BMS 將通過控制主動均衡電路，從而控制5 號單體電池進行充電。

3 系統測試數據

利用該文設計電池管理系統，對24 串20AH 磷酸鐵鋰電池組進行測試，并與高精度電壓電流表及安捷倫的電池測試儀測量數據進行對比。通過3 次數據對比，文中設計的電池管理系統的電池電壓、電流、容量等數據的精度如表1 所示。

表1 三輪測試數據精度誤差及均衡后電壓差值

通過三輪測試，第一輪測試單體電池電壓誤差為0.05%，單體電池溫度誤差為0.8 ℃，電池組電流誤差0.71%，電池組總電壓誤差為0.04%，電池組容量誤差1.4%；均衡完成后，最高電壓與最低電壓差值為7 mV。第二輪測試單體電池電壓誤差為0.03%，單體電池溫度誤差為0.7 ℃，電池組電流誤差為0.68%，電池組總電壓誤差為0.04%，電池組容量誤差為1.3%；均衡完成后，最高電壓與最低電壓差值為8 mV。第三輪測試單體電池電壓誤差為0.04%，單體電池溫度誤差為0.8 ℃，電池組電流誤差為0.65%，電池組總電壓誤差為0.03%，電池組容量誤差為1.8%；均衡完成后，最高電壓與最低電壓差值為5 mV。

4 結束語

該設計采用意法半導體（STMicroelectrionics）的STM32 微控制器作為系統的CPU，同時采用兩片LTC6811-2 作為電池信息采集芯片，采用實時操作系統RT-Thread Nan 進行軟件程序的設計，系統工作穩定性、可靠性高，線程處理迅速。通過測試，單體電壓誤差小于0.1%，電源容量誤差小于2%，系統精度高，可適用于礦井機器人。

該系統的優點有：1）系統設計原理簡潔明了，易于實現；2）系統采用主動均衡與被動均衡的方式，實現了快速高效均衡；3）通過均衡控制可以將電池組單體電池壓差控制在15 mV 以內，極大地延長了鋰離子電池組的使用壽命。