XXXX电池信息管理系统总体方案20160523

1、航天科工系统仿真科技（北京）有限公司XXXX电池管理系统总体方案航天科工系统仿真科技（北京）有限公司2016年5月23日15目 录1概述12系统功能12.1嵌入式软件功能12.2电池信息管理系统软件功能23系统基本工作原理34硬件系统44.1主电路模块44.1.1功率级主电路44.1.2控制级主电路54.2电池管理模块64.2.1辅助供电电路64.2.2信号检测电路64.2.3余度切换电路64.2.4温控系统64.2.5通信电路设计75软件系统75.1总体框架75.2系统功能组成85.3软件功能设计95.3.1阈值参数设置功能设计95.3.2动态参数采集功能105.3.3告警管理与故障诊断功能

2、115.3.4电池健康状态评估和寿命预测功能115.3.5系统建模与仿真功能115.3.6电池数据管理功能126关键技术126.1有源箝位技术126.2动态参数测试技术136.3SOC估计技术136.4均衡技术146.5内阻的在线测试技术146.6SOH估计与故障诊断技术146.7电池模型技术151 概述电池管理系统是整个XXXX系统的关键系统之一，它担负着为监控系统的其他系统提供有效载荷的重要任务。电池管理系统供电质量的优劣直接影响监控系统整体的工作状态，由于XXXX系统上的各种电子设备多，用电量大，XXXX系统的结构和控制较为复杂，供电系统的浪涌、尖峰等瞬态变化过程，会引起XXXX系统电子

3、设备产生错误的信息，或对设备的性能产生不利的影响，导致测控任务失败，设计一个具有高可靠性的测控电池管理系统是非常有必要的。2 系统功能电池管理系统的功能主要分为两部分，一部分为嵌入式软件功能，另一部分为电池信息管理系统软件功能。2.1 嵌入式软件功能XXXX电池管理分系统（以下称本系统）是XXXX电池管理系统（以下称电池管理系统）的关键分系统之一，完成针对电池管理系统的检测、控制、信息通讯和信息存储等功能。检测功能：完成对电池管理系统有效载荷及输出的电压、电流等参数的检测功能；控制功能：完成对电池管理系统输出电压、电流的控制功能和启动、暂停、停止等操作的控制功能；信息通讯功能：完成与上位机电池

4、信息管理控制系统的通讯功能；信息存储功能：完成检测信息、控制信息及与上位机电池管理控制系统通讯信息的存储功能。2.2 电池信息管理系统软件功能电池管理分系统主要实现数据的采集和电池的控制，控制指令的产生是有条件的。需要根据用户设置的阈值和采集到的参数共同做出判断。阈值参数设置功能：软件阈值参数设置功能设计在系统工作之前，需要对采集的参数设置参考值，额定电压、额定电流、温度范围等，设置完成的参数可以保存在数据库里。参数动态采集功能：通过动态采集系统各特性参数的数据，实时掌握温度参数、电压参数、电流参数等参数。告警管理功能：告警模块分温度过高、温度过低、电流过大、电压过低告警模式。超出电池的使用范

5、围会大大降低其使用寿命，有时会导致内部断裂，有时会导致内部化学物质变差。充放电管理功能：充电管理单元需要实施监控电池目前的电压状态和电流状态；电池放电的时候最重要的是防止其过放电，过放电容易影响化学物质的性能。电池健康状态评估和寿命预测功能：系统通过对电池状态参数的监测、估计和预测来控制、管理电池的充放电过程，以保持电池在不同环境下、不同操作条件下能够安全、可靠地运行，从而减少电池故障，延长电池寿命，确保系统安全可靠运行。系统建模与仿真功能：通过电池系统的建模，以及基于模型的仿真，提高电池管理系统的设计质量，验证电池的健康状态。电池模型管理包括SOC模型、SOH模型、阻抗模型、温度模型、充放电

6、功率模型、充放电效率模型。电池数据管理功能：通过电池数据管理系统，建立电池电子履历档案，支持对电池相关数据进行识别、整理、处理、存储、管理、应用和数据库的备份。3 系统基本工作原理根据XXXX系统实际用电参数，在设计时对电池（磷酸铁锂电池OR锂电池）和主电路（DC/DC变换器）都采用冗余技术，同时在输出端加入备用电池，以保证系统供电的稳定性和安全性。电池管理分系统由硬件和软件两部分组成。硬件基本原理如图1所示。图1 电池管理分系统基本原理图若采用双余度有源箝位正激式变换器并联给负载供电，需要在主电路中加入均流控制环。采用三闭环控制，能够提高电池管理系统的可靠性。根据优先级原则对用电负载进行划分

7、，控制系统为第一优先级，其他负载为次优先级。当电压参数正常时，主电路输出电压同时对各个负载供电；当监测到XXXX系统电池电量不足时，将其他负载全部断开，只给控制系统供电，来保证XXXX系统执行主要命令。因此在总体方案设计中输出电压直接给控制系统供电，其他负载则是输出电压经过控制开关后供电。4 硬件系统电池管理分系统总体上分为电池管理模块和主电路模块。电池管理模块负责电池信号的检测，主电路模块负责电池的状态的监控、开关以及连接其他功能器件。电池管理分系统功能组成图如图2所示。图2 测控电池管理系统功能组成电池管理分系统由两大部分组成：主电路模块和电池管理模块。主电路模块分为主电路功率级设计和主电

8、路控制级设计两部分。电池管理模块分为辅助供电电路、信号检测电路、余度切换电路、温控系统、通信电路。4.1 主电路模块4.1.1 功率级主电路有源箝位正激式功率级主电路包括：输出滤波电路、自举偏置电路、输出整流电路、功率变压器、有源箝位电路。输出滤波电路：输出滤波电路即输出率波电感和输出率波电容。有源箝位正激变换器，可以实现变压器磁芯磁通的自动复位，无需另加复位措施，并可使激磁电流沿正反方向流通，使磁芯可以在磁化曲线的第一和第三象限运行，提高了磁芯的利用率。自举偏置电路：在稳态工作期间变换器用一个自举电路来产生它自身的偏置源，给控制芯片供电。这种方法常使用简单高效的电路来供电。通常偏置源用一个专

9、用的辅助绕组由主变压器给出。输出整流电路：输出整流电路作为变换器的重要组成部分，提供简单有效的自驱动电路，使用的辅助绕组电压自驱动电路。功率变压器：根据电池组电压和实际使用电压进行功率转换，一般为12V、36V、72V三种。有源箝位电路：有源箝位电路设计包括主开关管的选择、箝位开关管的选择、箝位电容的选择。有源箝位电路复位电压可以自动调节，切在变压器上是完整的方波，能很自然的给副边两个同步，为整流管提供简单有效的自驱动的方案。4.1.2 控制级主电路通过主电源控制级的设计，使主电路工作在闭环稳定状态。主电路控制级设计主要包括：PWM（脉冲宽度调制）控制电路设计、均流电路设计、继电器开关电路设计

10、、备用电池电路设计。PWM控制电路：采用峰值电流型控制方式，实现最大占空比设计、软启动设计、偏置源、延迟时间调整、输入欠压和过压保护的设计、电流检测和斜率补偿。均流电路：均流电路设计包括均流控制电路和外围电路设计。继电器开关电路：根据优先级原则对用电设备负载进行划分。备用电池电路：主电路输出电压处使用备用电池与其并联，组成浮充供电电路。4.2 电池管理模块电池管理模块的设计主要包括：辅助供电电路设计、信号检测电路设计、余度切换电路设计、温控系统设计、通信电路设计。 电池管理模块需要实时监测主回路的输出电压与电流，并根据采集的电压电流值控制电池管理系统的工作状态。4.2.1 辅助供电电路通过控制

11、芯片，使供电电池的供电电压发生转变，使系统获得额定电压。4.2.2 信号检测电路信号检测电路包括对供电电池电压值的检测、主电路的输出电压和输出电流检测。通过检测到的电源电压值和电流值，控制开关电路的开关状态，实现余度的切换。电压检测电路：在电池管理分系统中，不仅要采集电池的剩余电量，还要检测主电路的输出电压信号。电流检测电路：电流检测方法有检测电阻法、电流互感器法和霍尔传感器法，由于成本低廉的检测电阻的精度较低，温漂大，而若选用精度高的，温漂小的合金电阻将使成本大大提高。4.2.3 余度切换电路系统采用双余度（两电池并联）供电系统给负载供电。当一块电池出现问题提供不了电量的时候另一块电池能给负

12、载供电，保证系统的正常飞行。4.2.4 温控系统温度控制系统由检测电路，单片机系统，控制电路构成。其基本原理是检测电路通过电池表贴的温度传感器测量电池工作温度，经放大电路将温度电压信号传输到单片机，单片机根据温度电压信号的数值判断是否要对电池表贴电阻丝加热；设置单片机定时器/计数器的PWM控制寄存器产生脉冲宽度可调的PWM波对控制电路进行开通或关断操作，同时单片机应用PID算法对PWM控制寄存器的值进行修正，从而达到对电池工作温度的精确调整，使电池工作在最佳的放电状态。硬件电路部分：硬件电路包括检测电路、单片机系统、控制电路。软件设计部分：软件设计共分为温度采集模块，PID算法模块和PWM波控

13、制模块3大模块。4.2.5 通信电路设计为了保证测控电池管理分系统的正常运行，需要将电池管理系统中电池剩余电量(SOC)、温度以及电压、电流等参数实时地传送给控制系统，以保证其可以根据接收到的数据作出相应的判断及动作，因此需要设计安全性高、传输速率高的通讯电路。5 软件系统5.1 总体框架从使用的角度考虑，可将系统划分为三层：应用层、数据采集层、数据层。应用层：主要是实现与使用者交互的功能。该层将用户的信息显示到界面上，或者将用户输入的信息进行转换，形成计算机语言能够识别的信息，可能是代码，也可能是汉字，为存入数据库做准备。传输层：主要实现数据层和数据采集层与应用层数据的传输。用户需要录入到数

14、据库的数据和下位机采集上来的数据，经过传输层到达数据库或者应用层。用户查看的数据从数据库调出来或者直接从采集层得到，然后传输到应用层，以约定的方式显示。传输层的稳定工作是系统数据可靠的关键。数据采集层：主要实现下位机与传输层之间数据的传输。系统软件将采集到的数据存储到数据库或传输到应用层。用户查看的数据从数据库调出来，然后传输到应用层，以约定的方式显示。数据层：数据层主要存储从下位机采集的数据和上位机计算的数据，负责连接数据库，查找数据库中的数据，或者将数据存入数据库。系统架构模式图如图所示。图3 系统架构模式图电池管理系统当中，底层有两部分，采集层和数据库链接层。应用层和各个模块与数据库之间

15、通过数据库链接模块实现，它的工作我们直观的感受不到，实在每次系统启动的时候开始工作的。5.2 系统功能组成数据采集部分实际还实现电池充电和放电工作的管控工作。采集和控制的数据或指令通过串口发送或接收。系统基本框架图如图所示。图4 系统基本框架图由于涉及到电池充电和放电问题，时间控制不好或者参数设置不对，容易对电池组造成伤害，所以设计登陆验证功能，只有熟悉系统操作方式的人员经过授权才可以登陆系统进行操作。用户首先要输入用户名和密码，然后才可以操作软件。登陆后要与下位机取得联系。其方式就是输入系统约定的通行参数，如：串口号、波特率、校验方式、停止位等信息。连接串口的工作有软件自动完成，如果串口号不

16、对，会返回来要求用户重新选择串口，再次连接。然后系统软件对各部分进行初始化操作，用户也可以选择手动操作方式或者是自动工作方式。自动方式将根据用户设置的参数与下位机以固定的模式进行通信，手动模式情况下，用户可以随时修改参数，与下位机通信。5.3 软件功能设计5.3.1 阈值参数设置功能设计软件阈值参数设置功能设计在系统工作之前，需要对采集的参数设置参考值，额定电压、额定电流、温度范围等。因为参数采集的硬件的参数是有一定范围的，并不是任意的数值都能够采集，使用不当的话容易损坏器件。设置完成的参数可以保存在数据库里，每次系统启动的时候可以将最后一次设置的信息显示在对话框的标签内，如果本次单数与上次相

17、同，直接可以使用。5.3.2 动态参数采集功能通过动态采集系统各特性参数的数据，实时掌握温度参数、电压参数、电流参数等参数。1) 温度参数采集功能要对电池组中安装的热电偶的实际温度准去采集，要对其采集的频率、采集的点数进行规划。只有采集频率足够高，才能够消除因为时间长而导致的误差加大现象。采集点数的增加可以是软件的算术平均滤波法的计算结果更贴近真实值。2) 电压参数采集功能单节电池的电压通常是固定的，测量不同的电池组，使用的电池不同，其额定电压就不同，只有电池管理系统将参数通知到下位机，下位机才能够相应调整其它参数，输出正确的结果。电池电压的采集也设计到采集周期、采集点数、采集频率的问题。3)

18、 电流参数采集功能当被测量是直流时，应选直流测量机构的原理。当被测量是交流时，应注意波形与频率。若为正弦波，只需测出有效值即可换算为其它值（如最大值、平均值等）；若为非正弦波，则应区分需测量的是什么值，有效值可选用磁系或铁磁系测量机构，平均值则选用整流系测量机构。电动系测量机构的仪表常用于交流电流和电压的精密测量。单节电池的最大放电电流通常是固定的，测量不同的电池组，使用的电池不通，其额定流就不同，只有电池管理系统将参数通知到下位机，下位机才能够相应调整其它参数，输出正确的结果。电池电流的采集也设计到采集周期、采集点数、采集频率的问题。要充分发挥下位机采集准确度的作用，还必须根据被测量的大小，

19、合理选用测量上限，如选择不当，其测量误差将会很大。一般使对被测量的指示大于电池最大电流的1/22/3以上，而不能超过其最大测量上限。5.3.3 告警管理与故障诊断功能告警模块分温度过高、温度过低、电流过大、电压过低告警模式。故障诊断基于电路板各元器件运行参数，判断设备运行状态。超出电池的使用范围会大大降低其使用寿命，有时会导致内部断裂，有时会导致内部化学物质变差。电池的工作电流最好工作在一个大致恒定的区间，即使有大电流工作的时候，也应该是工作在脉冲模式，过大电流放电容易导致电池寿命下降，故对电流的实时监控至关重要。电池的容量是一定的，其大部分时间工作在额定电压附近，一旦电池电量接近耗完，电压将

20、急剧下降。这时候应该提示用户迅速关闭电池组，否则容易损伤电池。5.3.4 电池健康状态评估和寿命预测功能系统通过对电池状态参数的监测、估计和预测来控制、管理电池的充放电过程，以保持电池在不同环境下、不同操作条件下能够安全、可靠地运行，从而减少电池故障，延长电池寿命，确保系统安全可靠运行。全面的系统功能和结构包括：数据采集与存储、安全保护与报警、电池状态估计与预测、电池充电和放电控制、单体电池的均衡管理、热管理（温控管理）、信息传输（系统通信）等。5.3.5 系统建模与仿真功能针对电池管理的特点，建立电池模型管理，包括SOC模型、SOH模型、阻抗模型、温度模型、充放电功率模型、充放电效率模型。通

21、过电池系统的建模，以及基于模型的仿真，提高电池管理系统的设计质量，验证电池的健康状态。5.3.6 电池数据管理功能电池数据管理是电池全生命周期过程数据的管理，以及数据库管理。功能上分为电池档案管理和数据库备份管理1) 电池档案管理功能通过电池档案管理系统，能够对电池相关数据进行识别、整理、处理、存储、管理及应用等操作。电池档案管理功能主要表现在电池全生命周期的信息管理，包括电池的基本信息、状态信息、使用信息、维护信息、健康及寿命信息等。2) 软件数据库备份模块一个健壮的管理系统，能够在任何情况下保证系统数据的稳定性和可靠性。为了防止意外的情况，包括硬件故障和人为因素的原因，本设计完成了数据备份

22、功能，数据库中的数据内容定时进行备份存储，当数据意外丢失的时候，可以将备份数据恢复至原来的状态。备份数据被固定存储在系统软件设置的文件夹内，用户可以定期查看备份效果。本分功能均在软件空闲时间工作，不影响系统的正常使用。6 关键技术6.1 有源箝位技术有源箝位正激变换器可以实现变压器磁芯磁通的自动复位，无需另加复位措施，并可使激磁电流沿正反方向流通，使磁芯可以在磁化曲线的第一和第三象限运行，提高了磁芯的利用率。同时该复位技术和其他复位方式相比，该电路还具有如下两个优点： (1)由于它的复位电压可以自动调节，所以占空比可以大于 0.5，非常适合DC/DC 变换器的宽范围要求； (2)有源箝位正激电

23、路变压器上是完整的方波，能很自然的给副边两个同步整流管提供简单有效的自驱动的方案。它的缺点是变压器的复位电压由箝位电容与输入电压之差来提供，所以其动态响应速度上会略显不足，通常将箝位电容设计得比较小以取得较好的动态性能，但这又会使得开关管的电压应力增大，因而设计时，还需要折中考虑。通过对各种复位方式优缺点分析，根据本课题设计的实际情况，本文采用有源箝位技术，即有源箝位正激电路拓扑结构进行设计。目前，常用有的有源箝位正激式电路包括低边有源箝位电路和高边有源箝位电路，下面通过对高低边有源箝位电路分析，选出一种适合本课题的有源箝位电路。6.2 动态参数测试技术动态参数测试技术是电池管理系统中的基本功能，通过动态参数测试技术，可以实现静态/动态数据的精确测量。评价动态参数测试数据的评价标准包括测量精度、稳定性、电测兼容性、通信可靠性。此外，再借助电池管理系统的存储能力、运算能力和通讯能力，使得动态参数得以更加高效的获取、处理、存储、管理和使用。同事，动态参数测试数据可用来分析SOC（剩余电量）、SOH（电池健康状态）、均衡控制、内阻测试、故障诊断等。6.3 SOC估计技术SOC也叫剩余电量，代表的是电池使用一段时间