摘 要： 為了滿足車載電臺對電池電源大容量、運(yùn)行穩(wěn)定、使用簡單方便等關(guān)鍵要求，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)提出了一種基于ARM_M0+內(nèi)核的電池電源管理系統(tǒng)架構(gòu)和硬件解決方案。系統(tǒng)以飛思卡爾最新推出的KinetisE系列微處理器為核心，輔以MAX14920芯片對電壓進(jìn)行采集，以高靈活性和高可靠性的方式提供一套電池管理系統(tǒng)方案。整個電池系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，更換方便。
關(guān)鍵詞： MAX14920； KinetisE； 磷酸鐵鋰電池； 電池管理系統(tǒng)
車載電臺在野外工作時需要電池為其提供電力，而磷酸鐵鋰電池作為一種新型的電池,具有環(huán)保、容量大、安全性能好等特性，應(yīng)用在車載電臺上可以在同等體積下存儲更多的電力，保障電臺工作時間更長。為了方便磷酸鐵鋰電池在車載電臺上使用, 提出了一種基于ARM_M0+內(nèi)核的電池電源管理系統(tǒng)架構(gòu)和硬件解決方案。
1 總體技術(shù)方案
車載電臺需要的車載電池工作電壓為24 V，工作電流峰值為20 A，按照對車載電池方便簡潔、安全高效的要求進(jìn)行磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。整個系
統(tǒng)結(jié)合磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)，采用由飛思卡爾最新推出的基于ARM_M0+內(nèi)核的E系類芯片作為主處理器，輔以MAX14920芯片進(jìn)行電壓監(jiān)控的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)高效與低能耗的完美結(jié)合[1-2]。
本電池管理系統(tǒng)方案的目標(biāo)在于設(shè)計24 V/20 A的100 AH磷酸鐵鋰電源系統(tǒng)，具有使用方便、高效、穩(wěn)定等特點(diǎn)，使其完美替代鉛酸電池。本系統(tǒng)由四部分組成，分別為3.2寸液晶顯示模塊、管理模塊、磷酸鐵鋰電池組和保護(hù)殼。整個系統(tǒng)共設(shè)有3個接口：24 V電源正極和24 V電源負(fù)極、 RS485通信接口, 具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2 電池管理系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 器件選擇及布局
電臺用磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)設(shè)計所采用的主要器件如表1所示。
按照器件的特點(diǎn)以及電池管理系統(tǒng)的應(yīng)用場合，對器件進(jìn)行布局設(shè)計，器件布局情況如圖2所示。
2.2 核心器件解析
MKE02Z64V芯片[3]是由飛思卡爾公司最新推出的基于ARM_M0+內(nèi)核的5 V工業(yè)級處理器,內(nèi)置UART、I2C、SPI、ADC等模塊，具有20 MHz的處理速度,完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計需求，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力和低功耗。在該系統(tǒng)中使用UART模塊與顯示模塊和RS485接口進(jìn)行通信,使用I2C模塊與AT24C02存儲芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,使用SPI模塊與電壓采集芯片進(jìn)行通信,配置MAX14920的工作模式,使用ADC模塊完成電池電壓的采集和電流采集等。
MAX14920芯片[4]是由美信半導(dǎo)體公司推出的一款電池電源管理芯片，支持12節(jié)差分輸入，測量精度可達(dá)1 mV，最高可支持36 V電壓的電池管理;芯片內(nèi)部集成診斷功能，可對電池檢測線開路或短路故障進(jìn)行檢測，具有過壓和欠壓報警功能;使用SPI接口進(jìn)行通信，內(nèi)部集成外部均衡FET驅(qū)動，可用于電池均衡電路的開關(guān)使用。
2.3 核心電路詳解
2.3.1電壓采集與均衡電路設(shè)計
此電路主要用于完成電池電壓的采集、均衡管理等，其電路圍繞著核心器件MAX14920芯片進(jìn)行設(shè)計，其具體電路設(shè)計如圖3所示。
霍爾電流傳感器將檢測到的電流信號Ip轉(zhuǎn)換成電壓信號Ui，該信號再傳送到微處理器的CMP模塊；CMP模塊將該信號與設(shè)定的電壓閾值進(jìn)行對比，一旦電壓信號Ui大于參考電壓Uv，將觸發(fā)系統(tǒng)的短路故障識別與保護(hù)功能；微處理器通過控制I/O口的高低電平來實(shí)現(xiàn)P_MOS的通斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)短路故障保護(hù)功能。
3 電池管理系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 軟件基本功能
為了保證磷酸鐵鋰電池電源系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、使用簡單等，設(shè)計電池電源管理系統(tǒng)具有如下基本功能：
(1)動態(tài)信息采集：對單體電壓、溫度、電池組電流、電壓進(jìn)行采集；
(2)狀態(tài)管理：根據(jù)系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)對充電狀態(tài)、放電狀態(tài)、短路故障等進(jìn)行顯示或報警；
(3)熱管理:采集8節(jié)單體電池的溫度和控制器溫度,當(dāng)溫度低于或高于限定溫度時將采取保護(hù)措施，并進(jìn)行狀態(tài)顯示；
(4)均衡管理：實(shí)時監(jiān)控8節(jié)單體電池的電壓，可持續(xù)提供高達(dá)300 mA的均衡電流；
(5)數(shù)據(jù)管理：支持RS485通信協(xié)議，可讀取、調(diào)用系統(tǒng)存儲的數(shù)據(jù)及系統(tǒng)工作狀態(tài)。詳細(xì)記錄系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、報警等信息，可作為系統(tǒng)診斷的依據(jù)；
(6)電池狀態(tài)評估:精準(zhǔn)地對電池組電量狀態(tài)進(jìn)行評估，電池?fù)p壞度進(jìn)行評估，當(dāng)電池?fù)p壞度超過設(shè)定時需進(jìn)行報警提醒，方便工作人員更換；
(7)系統(tǒng)自檢：系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時監(jiān)控，對系統(tǒng)信息采集、通信、控制等功能進(jìn)行全面測試，簡化系統(tǒng)維護(hù)工作。
3.2 電池狀態(tài)評估
電池管理系統(tǒng)要實(shí)時監(jiān)視電池的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，例如溫度、電壓、電量等，但車載電臺用電池供電系統(tǒng)使用場合特殊，需要了解電池組的損壞程度，以便及時更換。電池?fù)p壞度主要是根據(jù)電池組能量變化建立起來的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行評估[5]。
3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
根據(jù)車載電臺用磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的使用需求，進(jìn)行軟件功能設(shè)計和編寫。為了保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定采用開源的MQX嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行多任務(wù)管理，根據(jù)任務(wù)性質(zhì)的不同可劃分為5個功能模塊:自檢系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電池均衡系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。5個系統(tǒng)功能模塊共同作用，決定著電池系統(tǒng)的充電、放電、保護(hù)狀態(tài)的切換。其具體軟件工作流程如圖5所示[6-7]。
基于ARM_M0+內(nèi)核的電池電源管理系統(tǒng)現(xiàn)已完成設(shè)計，并進(jìn)行了實(shí)際的車載使用測試。在測試期間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，系統(tǒng)顯示的狀態(tài)參數(shù)有效地幫助了后勤人員對設(shè)備的維護(hù)。但對應(yīng)系統(tǒng)的某些參數(shù)(例如電池?fù)p壞度的評估)，會出現(xiàn)不期望的波動，在后續(xù)工作中還需要進(jìn)行深入研究。
參考文獻(xiàn)
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