軌道式自動投飼機電源管理系統(tǒng)設計

王吉中，劉陽春，趙 博，邢高勇，汪鳳珠，李 陽

(中國農業(yè)機械化科學研究院，北京 100083)

0 引言

隨著鋰電池技術的不斷發(fā)展，鋰電池的放電電壓穩(wěn)定、體積能儲比例高、低放電損耗、循環(huán)充放壽命較長等優(yōu)點逐漸被各行業(yè)應用所發(fā)現。其廣泛應用于各種終端如手機、pos機、相機、筆記本等小型設備中。對于一些供電要求較高的應用場景如基站、電動汽車、動力電源和備用電源等，穩(wěn)定的大容量鋰電池是較為普遍的選擇。得益于動力電池的廣泛應用，鋰電池管理系統(tǒng)BMS技術也日漸成熟，成本持續(xù)降低，應用可擴展性持續(xù)提高。

單節(jié)鋰電池電壓為3.7 V，大容量使用場合需要將多個鋰電池串并聯(lián)供電，由于鋰電池個體內部特性差異的存在，在較大負載使用時會出現電池充放電不統(tǒng)一，無法實現設計容量需求，嚴重縮短電池使用壽命，甚至引發(fā)電池爆炸等危險[1]。本次所應用的漁場投飼機，負載較大，對電池的負載能力要求較高，因此，需要一種較為穩(wěn)定的大電流、大功率電源管理系統(tǒng)對電池組進行充放電的保護。

本研究設計一種由電池管理系統(tǒng)BMS與LORA相結合的遠距離實時檢測鋰電池充放電保護系統(tǒng)，實現對多節(jié)鋰電池構成的電池組過充過放保護、短路保護、電壓監(jiān)測和溫度監(jiān)測等功能[2]。在鋰電池組驅動投飼機工作過程中對出現過流、過壓等高負載情況可及時關閉放電，以保證電池的安全；遠距離監(jiān)測功能可實時顯示電池電壓、電量等參數，方便工作人員及時將投飼機回到原點進行電池組充電，極大地解決了投飼機遠距離工作時無法查看電池電量，導致無法工作的問題。

1 系統(tǒng)設計

鋰電池遠距離監(jiān)測管理系統(tǒng)如圖1所示，其主要由多節(jié)鋰電池組、電池保護IC、控制單元、LORA收發(fā)模塊和屏幕顯示端上位機組成。電池組使用8并13串松下18650單體鋰電池組成，單節(jié)電池電壓2.75～4.18 V，容量2.6AH，整體電池組最高容量20.8AH，最高理論工作電壓54.34 V，最大持續(xù)放電電流60 A，滿足投飼機電機驅動功率400 W需求。電池保護IC具有電壓檢測精度高，過充、過放、過流保護功能，且功耗較低。控制單元主要工作是檢測電池組實時溫度和電池組單體電池電壓值，并進行電池IC的控制，實現電池保護。LORA模塊實現與控制單元串口通信，將電池參數數據通過LORA模塊發(fā)送到遠端接收模塊。屏幕顯示端上位機主要顯示LORA接收模塊接收到的電池具體數據，方便工作人員查看。

2 硬件設計

本電池管理系統(tǒng)使用的電池管理IC為LAPIS公司的ML5238，其內部邏輯如圖2所示。

通過設置CS0、CS1選擇所需要管理的鋰電池節(jié)數，本系統(tǒng)將CS0、CS1設置為低電平，可管理電池單體數為13節(jié)；OVS過充保護和恢復電壓設置；UVS過放保護和恢復電壓設置；CDOV過充檢測延時時間設置；CDUV過放檢測延時時間設置；C-FET充電控制MOS開關控制；D-FET放電控制MOS開關控制；ISENSE過電流保護控制輸入端；通過以上引腳的邏輯控制可實現鋰電池的過充、過放、過流等保護[2]。

電源管理IC與控制單元連接如圖3所示，控制器MCU通過SPI總線連接通信，ML5238電源管理IC將檢測到的13組鋰電池電壓值通過SPI總線方式傳輸給控制器MCU單元，控制單元根據收到電壓數據分析判斷并對ML5238進行相應的控制，實現鋰電池組單體的過流過壓等保護。圖中的PACK(+)與PACK(-)引腳為電池充放電引腳，MCU的邏輯控制與ML5238電源管理IC的過充、過放等保護都將作用于此兩腳處[3]。

圖2 ML5238內部邏輯Fig.2 ML5238 internal logic diagram

圖3 控制單元連接圖Fig.3 Connection diagram of control unit

LORA通信模塊與MCU控制單元連接如圖4所示，LORA模塊使用的是ALIENTEK推出的一款采用SMD封裝，體積小、微功率、低功耗、高性能、遠距離LORA無線串口模塊。模塊設計是采用高效的ISM頻段射頻SX1278擴頻芯片，模塊工作頻率410～441 MHz，以1 MHz頻率為步進信道，共32個信道，可通過AT指令在線修改串口速率、發(fā)射功率、空中速率、工作模式等各種參數，并且支持固件升級功能。MDO參數設置片選端，AUX模塊工作狀態(tài)，RXD數據接收端，TXD數據發(fā)送端，MCU與LORA間通信通過串口RXD、TXD連接，數據發(fā)送前需要將LORA模塊進行工作模式設置，其模塊主要包括以下3種工作模式。

圖4 LORA通信連接Fig.4 Lora communication connection

①點對點模式要求地址相同、信道相同、無線速率(非串口波特率)相同的兩個模塊，一個模塊發(fā)送，另外一個模塊接收(必須是一個發(fā)一個收)；每個模塊都可以做發(fā)送/接收；數據完全透明，所發(fā)即所得。②點對多模式要求地址相同、信道相同、無線速率(非串口波特率)相同的模塊，任意一個模塊發(fā)送，其他模塊都可以接收到；每個模塊都可以做發(fā)送/接收。③廣播監(jiān)聽模式要求模塊地址必須為0XFFFF，則該模塊處于廣播監(jiān)聽模式，發(fā)送的數據可以被相同速率和信道的其他所有模塊接收到(廣播)；同時，可以監(jiān)聽相同速率和信道上所有模塊的數據傳輸(監(jiān)聽)但廣播監(jiān)聽無需地址相同。

根據養(yǎng)殖場投飼機的數量可以進行模式選擇，多臺投飼機時選用點對多模式，單臺投飼機時選用點對點模式，本次設計使用點對點傳輸方式。

3 軟件設計

ML2358在使用時需進行軟件設置，電流測量校驗步驟如圖5所示。①寫入IMON寄存器“12H”，并設置電流為零。②當電流為零時外部ADC測量IMON引腳輸出電壓并將結果存儲在變量VIM0中。③寫入IMON寄存器“14H”，并設置IMON輸出放大的內部參考電壓。④外部ADC測量IMON引腳輸出電壓(放大的內部參考電壓)結果存儲在變量VIM1中。⑤寫入IMON寄存器“1CH”，并設置IMON輸出內部參考電壓。⑥用外部ADC測量IMON引腳輸出電壓(輸出內部參考電壓)結果存儲在變量VR中。⑦用VIM0、VIM1、VR計算電壓增益和零校正值[3]。電壓增益計算如式(1)所示，零校正值如式(2)所示。

圖5 ML2358軟件校驗步驟Fig.5 ML2358 software verification steps

GIM=(VIM1-VIM0)/VR

(1)

VIMZ=VIM0

(2)

LORA模塊軟件設計流程如圖6所示，LORA收發(fā)模塊進行穩(wěn)定的通信需要根據傳輸需要對配對模塊進行初始化設置，其主要包括設備地址、信道、發(fā)射功率和串口波特率等參數設置[4]。由于本次通信使用透傳點對點模式，因此兩模塊初始化設置基本一致，詳見圖5所示流程圖。

圖6 LORA軟件參數設置Fig.6 LORA software parameter settings

為滿足工作人員能夠及時查看電池組的電池單體狀態(tài)情況，專門設計了鋰電池保護板PC監(jiān)控電池組數據、修改保護板參數等其他功能上位機軟件。該軟件人性化的操作界面可方便操作者進行各項操作[5-14]。編輯界面如圖7所示。

圖7 上位機監(jiān)測界面Fig.7 Host computer monitoring interface

軟件窗口主要分為電池信息、參數設置、校準及其他功能；說明詳細，字體大小合理，各項列間距大小合理，既方便完全顯示所有內容，又方便用戶使用。

4 試驗測試

投飼機電池組遠程管理系統(tǒng)由8并13串鋰電池組、電池保護IC、控制單元、LORA收發(fā)模塊組成，組裝調試好電池組如圖8所示，其詳細組成包括充放電連接線、鋰電池、控制保護板、LORA通信模塊。

圖8 電池組遠程管理系統(tǒng)實物Fig.8 Physical diagram of battery pack remote management system

開始試驗之前，需要先進行保護板的保護參數設置，配置內容主要有單體過壓、單體欠壓、整組過壓、整組欠壓、充電高低溫、放電高低溫、充電過流及放電過流的保護值、釋放值及保護延時。工作者可以根據自己的使用情況自行設置，設置界面如圖9所示，設置整組保護過壓55.2 V，整組保護欠壓35.1 V。

圖9 保護參數設置界面Fig.9 Protection parameter setting interface

將電腦連接LORA接收模塊，檢測鋰電池組13組單體電壓等參數值，如表1所示。在表1基礎上，總電壓50.34 V，剩余電量13.4 AH，進行電池組放電試驗，選擇1 A的放電電流，由理論計計算可知放電時長約14 h。鋰電池放電時電壓變化如圖10所示。

圖10 放電電壓-時間曲線Fig.10 Discharge voltage-time curve

選用充電電壓48 V，電流最大5A充電器對鋰電池進行充電試驗，充滿時間約5 h，充電過程中實時記錄充電電流，其充電電流變化趨勢如圖11所示。

通過充放電試驗，分析數據可知，放電過程中，鋰電池組電壓達到設定的最低電壓值35.1 V附近時，停止放電，有效保護電池的過放。在充電過程中，為保護鋰電池單體，充電電流呈現過山車式，開始時電流較小，防止電池虧空時充電電流過大而損壞電池單體，在接近240 min時，充電電流減小為0.22A，可判定為電池組電量充滿，停止電流輸入，過充保護開啟。

表1 鋰電池充放電前參數

圖11 充電電流-時間曲線Fig.11 Charging current-time curve

5 結論

設計的遠程鋰電池管理系統(tǒng)具有較好的過流、過充、過放、保護功能，使鋰電池單體得到精確保護，延長了電池的使用壽命和安全性能；同時解決了因距離過遠無法實時檢測鋰電池狀態(tài)的難題，方便了喂料工作人員及時發(fā)現投飼機電池組電量狀況并進行充電，有效節(jié)約時間，提高工作效率。