简谈电动飞机的锂电池管理系统设计

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1、简谈电动飞机的锂电池管理系统设计0引言　　因旧式能源的污染问题及其储藏量减少等因素，新式能源受到人们高度关注。锂电池由于其容量大、寿命长、使用安全、绿色环保等优点在电动汽车上得到了广泛的运用。有鉴于此，沈阳某实验室研制了一种利用锂电池的新型电动飞机。　　但是由于锂电池的电压和容量很难做到非常大，所以只能把大量的锂电池串联起来使用。又由于锂电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，使其在长期充放电过程中由于各单体电池间充电接受能力、自放电率和容量衰减速率等的差异影响，容易造成组中电池之间的离散性加大，性能衰减加剧，严重情况下甚至会发生威胁安全的

2、后果。　　所以在电池充放电时，一定要注意对其进行均衡，而且放电时的稳定性尤为重要，否则电动飞机的安全性能将大幅降低。对于飞机来说，锂电池与传统燃料的最大区别就是锂电池能量的不可预知性，锂电池飞机不像使用航空煤油的飞机那样可以精确地获知里程，因此锂电池飞机的飞行具有危险性。而BMS可以通过锂电池的一些参数算出SOC，而仅仅知道SOC也无法解决飞机里程的问题。因为飞机在不同的飞行状态下能量的消耗有着巨大的差别。所以不仅要显示出SOC，还要提示驾驶员在各种不同的制动飞行状态下飞机的续航时间。实际上飞机中电池的健康状态(StateofHealth，S

3、OH)比汽车中更加重要。一旦电池出现问题，必将导致重大事故。基于此上的种种原因，为了提高飞机安全性能引入电池管理系统是必不可少的。而在BMS中，为了获得精确的SOC值，就必须测量锂电池的某些参数如电池电压、电池电流和电池温度，所以精确的数据采集模块是首要的。　　1数据采集模块　　1.1电压采集　　该电动飞机为了获得足够的动能，把72块电池串联在一起供飞机使用。为了在电池充放电时不引起过充、过放和电池电量的不一致，就要了解每一块电池的实时电压，故而选用了电池管理芯片LTC6804，其可以一次测量12块电池的电压，且每块LTC6804可以通过一个

4、菊花链式结构连接在一起，所有电池电压可以一次性全部测量，且测量误差极小，一般在1.2mV以下。　　1.2电流采集　　LTC6804辅助ADC输入(GPIO引脚)可用于任何模拟信号，包括那些来自产生兼容电压的各种有源传感器的信号。其中用于BMS的一个典型范例就是霍尔电流传感器测量电流。LEM-dhab系列霍尔电流传感器是由LEM公司应用霍尔效应原理开发的新一代电流传感器，dhab系列传感器最适用于测量直流、交流和脉冲电流，主要应用于大功率、低电压的电路。原边电路(大功率)和副边电路(电子电路)之间采用电气隔离设计。原理如下：该传感器采用一个5V

5、电源供电，然后原边电流在聚磁环处所产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，其副边电流精确地反映原边电流，LEM-dhab传感器把副边电流作为ADC输入的GPIO1和GPIO2转化为与电池输入相同的转换序列进行相同的数字化处理。　　1.3温度采集　　温度对于电池的容量有着不小的影响，一般来说25℃~30℃环境下电池容量最大。所以为了解决温度对SOC估计的影响，电池环境温度是一个非常重要的因素。而且电池在过充和过放的时候，温度可能会有比较剧烈的波动，所以电池管理系统必须对电池的实时温度进行监控。LTC6804具有温度采集功能，但实际上

6、需要测量比其路数更多的信号，故增设一个多路复用(MUX)电路来支持更多的信号数目。该电路可采用GPIOADC对多达8个输入源信号进行数字化处理，而MUX控制则由3个配置为I2C端口的GPIO线路提供。缓冲放大器可以帮助选定信号快速恢复稳定，以增加可用的转换速率。　　2均衡模块、通信模块和微控制器　　2.1均衡模块　　LTC6804采取控制内部MOSFET或外部MOSFET的方法来对电池组进行均衡。为获得更大的放电电流，提高放电效率，通常采用外部均衡。LTC6804利用S管脚内部的上拉电阻驱动外电路的P道沟MOSFET的栅极，从而使电量从高电压

7、电池转移到低电压电池，达到均衡的目的。　　2.2通信模块　　由于通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应减少线束的数量、通过多个LAN进行大量数据的高速通信的需要，该系统使用控制器局域X络(ControllerAreaNetel公司生产的ATmega8单片机作为微控制器。ATmega8是一款采用低功耗CMOS工艺生产的基于AVRRISC结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集联结在一起，所有的工作寄存器都与ALU(算术逻辑单元)直接相连，实现了在一个时钟周

8、期内执行一条指令同时访问(读写)两个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，ATmega8可以达到接近1MIPS/