摘  要： 為了提高電動(dòng)飛機(jī)安全可靠性,，設(shè)計(jì)了一種用于某型號(hào)電動(dòng)飛機(jī)的鋰電池管理系統(tǒng),。方案中利用LTC6804對(duì)電池的電壓進(jìn)行采集和均衡,，利用一個(gè)多路復(fù)用電路測(cè)量電池溫度,，利用一個(gè)霍爾效應(yīng)傳感器測(cè)量電池的電流,。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，得到精確的剩余電量（State-Of-Charge，SOC）,，從而可以得知飛機(jī)可以飛行的時(shí)間。經(jīng)過(guò)測(cè)試,，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,，誤差小于3%，能夠均衡電池的電量,，實(shí)時(shí)提醒飛行時(shí)間,。提高了飛機(jī)的安全性，滿足了實(shí)際的需求,。

　　關(guān)鍵詞： 電動(dòng)飛機(jī),；電池管理系統(tǒng)（Battery-Management-System，BMS）,；SOC

0 引言

　　因舊式能源的污染問(wèn)題及其儲(chǔ)藏量減少等因素,，新式能源受到人們高度關(guān)注。鋰電池由于其容量大,、壽命長(zhǎng),、使用安全,、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的運(yùn)用。有鑒于此,，沈陽(yáng)某實(shí)驗(yàn)室研制了一種利用鋰電池的新型電動(dòng)飛機(jī),。

　　但是由于鋰電池的電壓和容量很難做到非常大，所以只能把大量的鋰電池串聯(lián)起來(lái)使用,。又由于鋰電池具有明顯的非線性,、不一致性和時(shí)變特性，使其在長(zhǎng)期充放電過(guò)程中由于各單體電池間充電接受能力,、自放電率和容量衰減速率等的差異影響,，容易造成組中電池之間的離散性加大，性能衰減加劇,，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生威脅安全的后果[1],。所以在電池充放電時(shí)，一定要注意對(duì)其進(jìn)行均衡,，而且放電時(shí)的穩(wěn)定性尤為重要,，否則電動(dòng)飛機(jī)的安全性能將大幅降低。對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō),，鋰電池與傳統(tǒng)燃料的最大區(qū)別就是鋰電池能量的不可預(yù)知性,，鋰電池飛機(jī)不像使用航空煤油的飛機(jī)那樣可以精確地獲知里程，因此鋰電池飛機(jī)的飛行具有危險(xiǎn)性,。而BMS可以通過(guò)鋰電池的一些參數(shù)算出SOC,，而僅僅知道SOC也無(wú)法解決飛機(jī)里程的問(wèn)題。因?yàn)轱w機(jī)在不同的飛行狀態(tài)下能量的消耗有著巨大的差別,。所以不僅要顯示出SOC,，還要提示駕駛員在各種不同的制動(dòng)飛行狀態(tài)下飛機(jī)的續(xù)航時(shí)間。實(shí)際上飛機(jī)中電池的健康狀態(tài)（State of Health,，SOH）比汽車中更加重要,。一旦電池出現(xiàn)問(wèn)題，必將導(dǎo)致重大事故,?；诖松系姆N種原因，為了提高飛機(jī)安全性能引入電池管理系統(tǒng)是必不可少的,。而在BMS中,，為了獲得精確的SOC值，就必須測(cè)量鋰電池的某些參數(shù)如電池電壓,、電池電流和電池溫度,，所以精確的數(shù)據(jù)采集模塊是首要的。

1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　1.1電壓采集

　　該電動(dòng)飛機(jī)為了獲得足夠的動(dòng)能，把72塊電池串聯(lián)在一起供飛機(jī)使用,。為了在電池充放電時(shí)不引起過(guò)充,、過(guò)放和電池電量的不一致，就要了解每一塊電池的實(shí)時(shí)電壓,，故而選用了電池管理芯片LTC6804,，其可以一次測(cè)量12塊電池的電壓，且每塊LTC6804可以通過(guò)一個(gè)菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)連接在一起,，所有電池電壓可以一次性全部測(cè)量,，且測(cè)量誤差極小，一般在1.2 mV以下,。單個(gè)LTC6804的電池電壓測(cè)量電路如圖1所示,。

　　1.2電流采集

　　LTC6804輔助ADC輸入（GPIO引腳）可用于任何模擬信號(hào)，包括那些來(lái)自產(chǎn)生兼容電壓的各種有源傳感器的信號(hào),。其中用于BMS的一個(gè)典型范例就是霍爾電流傳感器測(cè)量電流,。LEM-dhab系列霍爾電流傳感器是由LEM公司應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的新一代電流傳感器，dhab系列傳感器最適用于測(cè)量直流,、交流和脈沖電流,，主要應(yīng)用于大功率、低電壓的電路,。原邊電路（大功率）和副邊電路（電子電路）之間采用電氣隔離設(shè)計(jì),。原理如下：該傳感器采用一個(gè)5 V電源供電，然后原邊電流在聚磁環(huán)處所產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過(guò)一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償,，其副邊電流精確地反映原邊電流,，LEM-dhab傳感器把副邊電流作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2轉(zhuǎn)化為與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列進(jìn)行相同的數(shù)字化處理。

　　1.3 溫度采集

　　溫度對(duì)于電池的容量有著不小的影響,，一般來(lái)說(shuō)25℃~30℃環(huán)境下電池容量最大,。所以為了解決溫度對(duì)SOC估計(jì)的影響，電池環(huán)境溫度是一個(gè)非常重要的因素,。而且電池在過(guò)充和過(guò)放的時(shí)候,，溫度可能會(huì)有比較劇烈的波動(dòng)，所以電池管理系統(tǒng)必須對(duì)電池的實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)控,。LTC6804具有溫度采集功能，但實(shí)際上需要測(cè)量比其路數(shù)更多的信號(hào),，故增設(shè)一個(gè)多路復(fù)用（MUX）電路來(lái)支持更多的信號(hào)數(shù)目,。電路如圖2所示。該電路可采用GPIO ADC對(duì)多達(dá)8個(gè)輸入源信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理,，而MUX控制則由3個(gè)配置為I2C端口的GPIO線路提供,。緩沖放大器可以幫助選定信號(hào)快速恢復(fù)穩(wěn)定，以增加可用的轉(zhuǎn)換速率。

2 均衡模塊,、通信模塊和微控制器

　　2.1 均衡模塊

　　LTC6804采取控制內(nèi)部MOSFET或外部MOSFET的方法來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行均衡,。為獲得更大的放電電流，提高放電效率,，通常采用外部均衡,。如圖3所示，LTC6804利用S管腳內(nèi)部的上拉電阻驅(qū)動(dòng)外電路的P道溝MOSFET的柵極,，從而使電量從高電壓電池轉(zhuǎn)移到低電壓電池,，達(dá)到均衡的目的。

　　2.2 通信模塊

　　由于通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同,，由多條總線構(gòu)成的情況很多,，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”,、“通過(guò)多個(gè)LAN進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要,，該系統(tǒng)使用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）,。CAN總線能夠有效地應(yīng)對(duì)采集數(shù)據(jù)數(shù)量大,、種類多的特點(diǎn)。

　　2.3 微控制器

　　本文以Atmel公司生產(chǎn)的ATmega8單片機(jī)作為微控制器,。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位單片機(jī),。AVR單片機(jī)的核心是將32個(gè)工作寄存器和豐富的指令集聯(lián)結(jié)在一起，所有的工作寄存器都與ALU（算術(shù)邏輯單元）直接相連,，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條指令同時(shí)訪問(wèn)（讀寫）兩個(gè)獨(dú)立寄存器的操作,。這種結(jié)構(gòu)提高了代碼效率，使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期,。因此,，ATmega8可以達(dá)到接近1 MIPS/MHz的性能，運(yùn)行速度比普通CISC單片機(jī)高出10倍,。

　　3 SOC測(cè)量原理

　　SOC是電池組的最主要的一個(gè)狀態(tài)參數(shù),，它直接顯示電池的剩余電量。所以有很多的學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究,。目前研究SOC的主要方法有：放電實(shí)驗(yàn)法,、安時(shí)積分法、開路電壓法,、負(fù)載電壓法,、電池內(nèi)阻法、卡爾曼濾波法,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[2],。這些方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)：放電實(shí)驗(yàn)法是在實(shí)驗(yàn)室中常溫條件下以恒定的電流放電，其優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定可靠，缺點(diǎn)是需要大量時(shí)間,，且不能用在工作的電池上,；開路電壓法是在電池充分靜置后測(cè)量電池的開路電壓，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算SOC簡(jiǎn)單易行,，缺點(diǎn)是電池不能處于工作狀態(tài)中,，無(wú)法在行駛的飛機(jī)上使用；安時(shí)積分法是把電池看成是一個(gè)黑匣子,，不管其內(nèi)部到底怎樣,，簡(jiǎn)單地認(rèn)為其放出量等于其充入量，該方法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量簡(jiǎn)單,，可在線計(jì)算,，缺點(diǎn)是無(wú)法計(jì)算初始值，且因其是積分的,，所以其誤差也無(wú)法得到修正,；負(fù)載電壓法是在電池工作時(shí)測(cè)量其電壓，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)地估計(jì)SOC,，缺點(diǎn)是飛機(jī)飛行狀態(tài)不同,，其負(fù)載上的電壓會(huì)劇烈地波動(dòng)，從而導(dǎo)致負(fù)載電壓法應(yīng)用困難,；電池內(nèi)阻法是通過(guò)測(cè)量電池的內(nèi)阻來(lái)獲知其SOC,，其優(yōu)點(diǎn)是在SOC較高或較低時(shí)相當(dāng)準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是測(cè)量行駛飛機(jī)上電池的內(nèi)阻比較困難,，且不同批次電池的內(nèi)阻差異較大,；卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是新型的測(cè)量方法，是系統(tǒng)的狀態(tài)做出最小方差意義上的最優(yōu)估計(jì),，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好,，能夠不停地修正誤差，缺點(diǎn)是對(duì)于鋰電池的模型精度和BMS統(tǒng)籌計(jì)算能力要求較高,；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ),，通過(guò)模擬人腦的推理、設(shè)計(jì),、思考,、學(xué)習(xí)等智能行為，解決和處理復(fù)雜問(wèn)題,，其優(yōu)點(diǎn)是能夠模擬任何電池的動(dòng)態(tài)特性,，缺點(diǎn)是需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，估計(jì)誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大,。根據(jù)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本文提出一種以開路電壓法來(lái)獲知電池的初始SOC，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行以能量為核心的安時(shí)積分法,，最后為了解決安時(shí)積分法帶來(lái)的誤差,，采用卡爾曼濾波法通過(guò)充放電倍率、電池溫度,、自放電損耗和電池循環(huán)次數(shù)等方法來(lái)對(duì)誤差進(jìn)行修正,。

4 軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 LTC6804的配置

　　在微控制器上電或復(fù)位后，首先通過(guò)SPI口初始化LTC6804,，主要是設(shè)置SPI的通信速率,、LTC6804的ADC工作模式。根據(jù)其讀,、寫時(shí)序可以寫出LTC6804的配置程序,，程序如下：

　　void LTC6804_initialize（）//LTC6804初始化配置

　　{

　　quikeval_SPI_connect（）；

　　spi_enable（SPI_CLOCK_DIV16）,；

　　set_adc（MD_NORMAL,，DCP_DISABLED，

　　CELL_CH_ALL,，AUX_CH_ALL）,；

　　}

　　void set_adc（uint8_t MD，//ADC模式

　　uint8_t DCP,，//放電許可

　　uint8_t CH,，//哪些電池被測(cè)量

　　uint8_t CHG//測(cè)量哪些GPIO

　　）

　　void LTC6804_adcv（）,；//啟動(dòng)LTC6804電池測(cè)量

　　uint8_t LTC6804_rdcv（uint8_t reg,，uint8_t total_ic，uint16_t cell_codes[][12]）,；//讀取12節(jié)電池測(cè)量電壓

　　void LTC6804_wrcfg（uint8_t nIC,，uint8_t config[][6]）；

　　//寫配置寄存器

　　int8_t LTC6804_rdcfg（uint8_t nIC,，uint8_t r_config[][8]）,；//讀配置寄存器

　　void spi_write_read（uint8_t*TxData，uint8_t TXlen,，

　　uint8_t*rx_data,，uint8_t RXlen）；//SPI讀寫

　　4.2 電流采集程序設(shè)計(jì)

　　霍爾電流傳感器通過(guò)作為ADC輸入的GPIO1和GPIO2把信號(hào)在與電池輸入相同的轉(zhuǎn)換序列中進(jìn)行數(shù)字化處理,，從而達(dá)到與電壓同步的效果,。然后數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)存在輔助寄存器A中，從寄存器中讀出來(lái)的數(shù)據(jù)共16位,，記為DATA1,，G1V為GPIO1的電壓,，I為被測(cè)電流。計(jì)算公式如下：

　　4.3 總體程序設(shè)計(jì)

　　如圖4所示,，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化,，測(cè)量電池的電壓、電流和溫度,。然后根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行SOC的估算,，并對(duì)電池所處狀態(tài)進(jìn)行分析、顯示,。最后通過(guò)總線傳到上一級(jí),，完成對(duì)電池組的監(jiān)控。

5 數(shù)據(jù)與分析

　　本文采用麥格納公司為電動(dòng)汽車生產(chǎn)的大容量的鋰電池作為測(cè)量載體,，采用安捷倫公司生產(chǎn)的34970A數(shù)據(jù)采集器作為輔助測(cè)量?jī)x器,。表1是電池測(cè)量的一些數(shù)據(jù)。

　　由上表數(shù)據(jù)可知,，LTC6804的測(cè)量誤差小于0.05%,，符合設(shè)計(jì)需求，由圖5可知電池在電壓范圍3.0 V~3.5 V之間儲(chǔ)能極少,，且電動(dòng)飛機(jī)飛行時(shí)所需動(dòng)能極大,，故可推測(cè)出電池電壓達(dá)到3.5 V時(shí)會(huì)急劇下降，所以本文將SOC的初始值預(yù)設(shè)為3.5 V,，并且利用高斯擬合得出一個(gè)開路電壓的公式0.96×exp（-（（volt-1.58）/0.81）2）+0.5×exp（-（（volt-0.48）/0.66）2）：經(jīng)計(jì)算得知此公式誤差約為0.8%,，可以使用。由圖6（a）可知電池在充電時(shí)充入35 kW/10 s能量,，放電時(shí)放出32.4 kW/10 s能量,，可以推測(cè)出電池?fù)p耗約為7.5%。由圖6（b）可知,，電池在常溫下放出22 kW/10 s能量,，-20℃時(shí)放出15 kW/10 s能量，可以推測(cè)出溫度對(duì)電池影響極大,，約為32%,。由圖6（c）可知，電池在-20℃時(shí)放出15 kW/10S能量,，而這時(shí)卻充入約23.9 kW/10S能量,，影響約為38%，基本上等于電池?fù)p耗和溫度損耗之和,。由圖6（d）可知,，電池在充電時(shí)充入39.2 kW/10S能量，然后放置了約50天,，放電時(shí)放出37.8 kW/10S能量,，可以得知此次損耗約為9.5%,。除去原來(lái)得知的電池7.5%的損耗，電池在50天的自損約為2%,。

6 結(jié)論

　　本文采用ATmega8來(lái)控制信號(hào)和計(jì)算數(shù)據(jù),，利用高精度采集芯片LTC6804采集電壓、電路,、溫度等信號(hào)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)等到的結(jié)果來(lái)對(duì)電池當(dāng)前環(huán)境進(jìn)行調(diào)整,，使精度進(jìn)一步提高,；然后分析飛機(jī)處于哪種飛行狀態(tài)，這樣就可以提示飛機(jī)在當(dāng)前狀態(tài)的準(zhǔn)確飛行時(shí)間,。經(jīng)過(guò)實(shí)踐表明,，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，具有使用價(jià)值,。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] ARAI J,， YAMAUCHI S. Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles[J].Journal of Power Sources， 2005,， 146（1-2）：788-792.

　　[2] 麻友良,，陳全世，齊占寧.電動(dòng)汽車用電池SOC定義與檢測(cè)方法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,，2001,，41（11）：27-35.（收稿日期：2015-06-01）