鱼类驯化装置电池组管理系统研究

陈慕瑞，杨菲菲，黄大志

（江苏海洋大学 海洋工程学院，江苏连云港，222005）

0 引言

近年来，海洋渔业的可持续发展已经成为全球沿海国家共同关注的主题[1]。实现海洋牧场化的根本核心是解决鱼类行为控制与驯化技术，所以需要设计一种无人值守式鱼类自动驯化装置，用来实现海洋牧场内科学的鱼类驯化，装配图如图1 所示，简化模型如图2 所示。然而，驯化装置的设计和使用却面临很多挑战，其中之一就是如何实现装置的自主供能，以保障鱼类生长环境的稳定性和生产效益的可持续性。

图1 鱼类驯化装置装配图

图2 鱼类驯化装置简图

由于海洋牧场的环境限制，不可能随时保证蓄电池的能源供应充足，为了避免驯化的中断，同时也为了解决蓄电池能源不足时的更换问题，计划采用太阳能对蓄电池进行充电[1]，以保证驯化设备的正常工作。太阳能是一种清洁无污染的自然能源，太阳辐射出的大部分是光能，这种光能可以用光电转换器转换成电能[2]，因此，本课题采用太阳能系统为蓄电池进行充电。不过，在利用太阳能充电时，需避免蓄电池反充与过充现象[3]，所以需要设计电池管理系统来防反充和过充，以及对蓄电池进行温度监测，以免影响蓄电池的使用寿命[4]。

国外的发达国家对电源管理系统的研究已经相对成熟。美国通用公司为电动汽车开发的“EVI”型电源管理系统，该系统可以监测每个单体电池的电压、电流、温度，还可以实现电量里程的估算，发生过充过放时能够进行报警提示[5]。Smart Guard 电源管理系统是由美国Aerovironment 公司研发，其特点是采用了分布式来采集电池的一些参数，如电压、电流，还可以估算出单体电池的剩余电量，能够自动监测过充电，增加了电池组的安全性[6]。虽然国内对电源管理系统的研究起步较晚，清华大学研制的轻型电动客车的电源管理系统，可以实时监控电池的电压、电流和温度，并设计了配套的充电系统，能够进行过充过放保护[7]。惠州亿能电子公司所研发的电动汽车电池组管理系统它的应用面很广，能够管理多种类型的电池，能够采集到电池的电压、电流、温度等信息[8～9]。

本文研究设计了一种鱼类驯化装置电池组智能监控保护系统，将太阳能板与电池管理系统相结合，并运用于鱼类驯化装置上，使得在无人监管的情况下也能使得装置自行运行，并且可以通过蓝牙模块，使用手机监测系统。该电池管理系统能够完成电池组信息的采集，准确地估算出电池的剩余电量，控制充放电电路实现保护功能，对电池进行均衡管理，最后将电压、电流、温度和电池剩余电量等信息显示在上位机界面，方便人员对电池组的状态进行监控。

1 电池管理系统设计方案

1.1 功能需求

锂离子电池单体电池容量有限，考虑到鱼类驯化装置实际应用，所设计的BMS 可以管理 6 个串联电池单元，并具有以下几点功能：

（1）数据采集

数据采集对BMS 而言非常关键，是整个系统运行的基础。只有获取到电池状态参数，BMS 才可以准确分析出电池组的运行情况。BMS 需要采集数据包括电池组工作电流、单体电池电压和温度，采集到的数据应当具备实时、精准的特点。

（2）安全保护

恶劣的工况条件和错误的操作行为，可能导致电池组处于高温、过充电和过放电等不良状态，使得电池内部发生不可逆的反应，进而导致电池使用年限大幅度缩减，严重时还会导致安全问题。BMS 应当提供电压保护、电流保护和温度保护，确保电池运行过程中的安全可靠。

（3）均衡管理

由于生产工艺的限制，电池组的不同单体电池的性能参数会存在一定的差异随着使用时间增加，这种不一性会累积到一种可观的程度[10]。这可能会导致个别电池处于异常状态，进而影响整个电池组的使用安全和效率。应当能够对异常电池进行均衡管理，使得电池组的不一致保持在一定的范围内。

（4）SOC 估算

SOC（State of charge）是BMS 高效运行的重要参数之一，其估算值的精度对充分发挥锂离子电池的性能具有十分重要的意义，BMS 要求能够实现电池SOC 的估算[11]。

（5）数据传输

数据传输主要包括两个过程，采集模块首先将电池状态参数传输至MCU，MCU 对数据处理后再将数据传输至显示界面，便于使用者了解电池组运行状况。

1.2 系统结构设计

在电池管理系统中，根据控制器之间的关系，可以分为集成式和分布式两类。集成式电池管理系统的核心控制器直接完成数据采集，包括电池单体电压采集、温度采集、电池组总电压采集、电池总电流采集，以及数据处理[12]。分布式架构一般应用于多模组结构的电池管理系统，该架构将系统的主要功能模块划分到了主板与多个从板中，模块化的结构不仅使得模组装配过程更加简单，而且有利于优化电池组内部数据采样线束的排布方案[13]。本文从线束布置简单、维护方便的角度出发，选择分布式电池管理系统架构。

1.3 电池管理芯片选型

本文电池管理芯片采用上海中颖电子股份有限公司生产的专用电池管理芯SH367309，管脚配置图如图3 所示。该芯片具有高精度的电压采集性能以及延时时间范围，而且能够配置许多类型的电池，最多可管理 16 个电芯单元。考虑到本文所设计的电池管理系统需要管理6 个串联电池单元，因此选用一个 SH367309 芯片作为模块的控制核心。

图3 管脚配置图

1.4 总体设计方案

在确定鱼类驯化装置BMS 的功能需求和系统结构后，本文给出了如图4 所示的系统总体设计方案。

图4 系统总体设计方案

本文所设计的电池管理系统为主、从分布式结构，受控模块以电池管理芯片为核心，主要负责电池组的数据采集、均衡管理和安全保护，主控模块以 STM32 单片机为核心，负责接收从属模块采集的数据并进行SOC 估算，同时将电池状态信息传输到显示界面。

2 电池管理系统硬件设计

2.1 整体设计方案

本小节所设计的电池管理系统是包括从属模块和主控模块的分布式结构，如图5 所示，从属模块和主控模块之间采用I2C（Inter-Integrated Circuit）通讯方式。

图5 电池管理系统硬件平台结构

从属模块以两个专用锂电池管理芯片SH367309 为核心，结合外围电路对电池组进行数据采集、均衡管理和充放电控制，其中电池管理芯片负责6 个电池单元的电压检测及均衡管理、整个电池组的电流及温度检测，实现对电池组的安全保护。主控模块是以 STM32 单片机为核心的智能数据盒，如图5 所示。主控模块通过 I2C 接口接收从属模块的采集数据，并且具有蓝牙模块，结合配套的微信小程序可以将采集和处理的电池信息传递到移动端界面，如图6 所示。

图6 移动端界面

2.2 均衡管理方案

电池组的均衡管理是为了解决电池组中单体电池的能量差异而提出来的一种管理方式[17]，均衡管理的核心思想就是通过采集到的单体电池的信息，分析出每个电池的能量差异大小，采用电池均衡方法使每个电池的能量在同一时刻尽可能保持一致[18]。本文均衡电路采用的是以电压为均衡判断变量，具有成本低和能耗少的优点。

2.3 均衡与电压采集电路

SH367309 芯片可以同时采集16 串单体电池电压，对应芯片上的VC1～VC17 引脚。V1～VC17 接电池组，其中VC1 接总负，VC17 接总正，其中1k 电阻为采样电阻，作为采集电池电压的电阻，C53 电容用来滤波退耦。均衡电路的运行过程是，先调节好SH367309 的寄存器，调节完成均衡参数后启动均衡功能。当SH367309 检测到电池的电压大于电池均衡电压，芯片启动内部均衡回路，以第一串电池为例，第一串正接2 引脚，负接1 引脚，此时NPN 导通，如图7 所示，以此类推，当导通时r114 作为泄放电阻并联到电池组两端与电池组形成回路，从而消耗一定电量，实现电路的均衡。本管理系统使用六串三元锂电池串联，VC7～VC17 通道使用0R 电阻短接。

图7 均衡与电压采集电路

2.4 电流采集电路

SH367309 芯片中存在16 位的模数转换模块CADC，其转换频率等于4Hz，1 通道双端分输入，其芯片引脚为18（RS1）、19（RS2），引脚的输入电压在-0.3V～+0.3V范围内。选取电池管理芯片1 的RS1、RS2 引脚能够直接获取工作电流，如图8 所示。为了保证电池组的应用安全以及使用年限，电池管理系统设置电池组的最大工作电流不得超过 50A，考虑到芯片引脚的输入电压范围，通过并联3 个0.004R 的电阻实现对电阻的采样。

图8 电流采集电路

2.5 温度采集电路

此电路具体选用了热敏电阻，其能够直接传输电压信号，便于AD 转换。SH367309 芯片具有3 路温度采集通道，分别对应引脚20（T1）、21（T2）、22（T3）。本系统采用阻值10k，B 值（25℃/50℃）3950k 的热敏电阻，设计了3 路温度采集电路，如图9 所示。T1、T2、T3 依次获取电池组温度、电池箱温度以及电机温度。

图9 温度采集电路

2.6 充放电控制电路

SH367309 芯片内置有MOS 管驱动电路，直接利用芯片的IO 口就可以实现对MOS 管的驱动，充电和放电控制路线基本相同。如图10 所示，DSG 是放电MOS 控制端，放电方向从电池总正到电池总负，当给34 引脚高电平时，MOS 管导通，实现电池组给负载供电，此时充电MOS 一直导通，不需要进行控制。CHG 是充电MOS 控制端，当给36 引脚高电平时，充电MOS 导通，此时放电MOS 一直导通，电流从电池总正到电池总负，实现充电。

图10 充放电控制电路

3 电池管理系统软件设计

3.1 整体方案

上海中颖电子股份有限公司为用户提供了SH367309芯片专用的软件系统，通过该系统可完成数据采集、均衡管理、安全保护等功能设置，系统操作界面如图11 所示。

图11 系统操作界面

STM32F103C6T6 为主MCU 使用IIC 通信与SH367309通信，实现读写SH367309 相应寄存器达到读取电池电压，电流，温度等相应数据。SH367309 自身具有硬件保护，保护参数需要通过中颖WRITE TOOLS II 软件写参数即可，此时MCU 只负责将相关信息上传至上位机平台。

3.2 电池参数获取程序设计

SOC（State of charge），即荷电状态，用来反映电池的剩余容量，其数值上定义为剩余容量占电池容量的比值，常用百分数表示，其取值范围为0～1，当SOC=0 时表示电池放电完全，当SOC=1 时表示电池完全充满。本电池管理系

统所使用的SOC 就是电压百分比，比如单节电芯的电压范围一般为2800mV～4200mV，简单地将其从这个范围划分0 到1，从而做出简单的电量预测。

3.3 蓝牙传输程序设计

主控模块采用的蓝牙型号为HC08，在蓝牙传输程序设计过程中，首先让 HC08 进入AT 模式，设置蓝牙名称，匹配密码，调节主从模式，调节波特率，之后退出AT 模式，通过主控模块内的 STM32 单片机向连接蓝牙串口的设备传输数据，相关流程如图12 所示。

图12 蓝牙连接流程图

4 电池管理系统功能验证

电池管理系统的模块实物图如图13 所示，以6 个串联的三元锂离子电池组为测试对象，电池管理系统连接图如图所示。电池组和从属模块之间通过排线连接，如图14 所示使用万用表分别测量每个电池两端电压并观察此时上位机的电压数值。

图13 模块实物图

图14 使用万用表测量电池电压

4.1 数据采集功能验证

表1 为在三种不同的情况下分别测量六个电池的电压情况并同时记录下此时上位机的采集值，表2 为单体电池电压测量值和采集值的误差，测量值采用万用表直接测量单体电池所得，采集值由从属模块采集所得。由表2 可以看出，电压采集误差为毫伏级别，最大采集误差为0.019V，标准偏差最大为0.012V。

表1 单体电池电压测量值与采集值

表2 单体电池电压测量值与采集值误差

4.2 均衡管理功能验证

在均衡管理测试之前先观察是否有电池因为电池的不一致性而导致的电压过高。如果存在某一节电池电压过高，开启均衡管理，过一段时间再记录电池组每一节单体电池的电压，观察电压过高的电池是否已经恢复到正常电压。

从表3 的数据可以看出，在开启均衡控制之前第1 节电池的电压过高，然后开启均衡管理功能并过一段时间再进行测量，电池组最大压差由 0.174V 减小为0.006V，均衡管理功能正常。

表3 开启均衡后单体电池电压测量值

5 结论

本文根据鱼类驯化装置的实际需求，明确了分布式BMS 的整体设计方案，完成了以专用锂电池管理芯片SH367309 为核心的受控模块的数据采集、均衡管理、充放电控制等电路设计，根据接口定义完成BMS 实物连接，以6 串三元锂电池组为测试对象，对数据采集、均衡管理进行了测试验证，结果表明所设计的BMS 达到了鱼类驯化装置的基本使用要求。