劉 昊，黃 凌，樊 霈

一種船用蓄電池監(jiān)測(cè)器的低功耗設(shè)計(jì)

劉 昊，黃 凌，樊 霈

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

船用蓄電池監(jiān)測(cè)器通過(guò)檢測(cè)小部分蓄電池來(lái)估算整個(gè)電池組的容量。其傳感器增加被測(cè)蓄電池功耗，影響容量的計(jì)算。本文分析了當(dāng)前傳感器各功能模塊的能耗，對(duì)硬件電路和軟件控制進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了低功耗的傳感器。新傳感器功耗比原傳感器顯著降低，電池組容量的監(jiān)測(cè)精度更高。通過(guò)可靠性試驗(yàn)證明低功耗傳感器滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

蓄電池容量傳感器能耗低功耗傳感器

0 引言

鉛酸蓄電池廣泛用作艦船的動(dòng)力或備用電源，對(duì)蓄電池的容量（又稱荷電狀態(tài)，SOC）的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)有十分重要的意義[1-2]。常用的監(jiān)測(cè)方法是從蓄電池組中抽取小部分蓄電池作為檢查池，對(duì)檢查池的電極電壓，電解液的密度、溫度、液位等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，再使用公式計(jì)算電池的SOC[3]。目前，在線式監(jiān)測(cè)蓄電池參數(shù)的傳感器，已在艦船上得到廣泛應(yīng)用。傳感器探頭深入電解液，測(cè)量液體的密度、溫度、液位信息。由于艙室線纜布置，防爆設(shè)計(jì)等原因，傳感器從被監(jiān)測(cè)蓄電池獲取自身工作電源。

蓄電池監(jiān)測(cè)裝置準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池組SOC的一個(gè)關(guān)鍵，是檢查池的荷電狀態(tài)與非檢查池的一致，測(cè)量檢查池參數(shù)就能反映整組蓄電池的狀態(tài)。但是傳感器從檢查池取電工作，將導(dǎo)致檢查池耗費(fèi)更多的電能，荷電狀態(tài)低于非檢查池，隨著時(shí)間的積累，荷電狀態(tài)的差異越來(lái)越大，從而使檢查池失去代表性。通常每三個(gè)月對(duì)蓄電池組進(jìn)行一次周期治療，治療后所有電池都處于充滿電的狀態(tài)，荷電狀態(tài)的差異基本被消除。對(duì)傳感器進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)，在為期3個(gè)月的周期中，減少對(duì)檢查池的電能消耗，對(duì)提升蓄電池監(jiān)測(cè)裝置的精度有重要意義。

1 蓄電池傳感器的能耗分析

傳感器具有六個(gè)功能模塊，分別是電源模塊、電壓測(cè)量、密度測(cè)量、溫度測(cè)量、液位監(jiān)測(cè)和通信模塊。以一款成熟的在線式傳感器為例，對(duì)其能耗進(jìn)行分析。

電源模塊的功能是把鉛酸蓄電池電壓轉(zhuǎn)化為供其他各功能模塊使用的穩(wěn)定直流電壓，傳感器消耗的電能都流經(jīng)電源模塊。鉛酸蓄電池的輸出電壓根據(jù)其荷電狀態(tài)，處于1.6至2.8 V。電源模塊根據(jù)后端檢測(cè)電路的需要，將蓄電池電壓變換至1.2 V，1.8 V，3.3 V，5 V等電平。

DSP是傳感器的運(yùn)算與控制核心，由于傳感器的密度測(cè)量功能需要運(yùn)用圖像處理算法分析大量數(shù)據(jù)，因此選用了具有浮點(diǎn)乘法器的C6000系列DSP[4]。DSP被設(shè)定分為高速和長(zhǎng)時(shí)兩種工作模式，高速模式即進(jìn)行密度測(cè)量工作時(shí)，DSP以225 MHz的頻率運(yùn)行圖像處理算法，考慮電源模塊的效率，產(chǎn)生的功耗約為1200 mW；長(zhǎng)時(shí)模式DSP被用于控制電壓、溫度、液位和通信等模塊的工作，功耗約900 mW。

密度測(cè)量使用的是光學(xué)原理，工作方式如下。電源驅(qū)動(dòng)LED發(fā)射探測(cè)光，光線經(jīng)過(guò)待測(cè)電解液，獲取與電解液密度有關(guān)的信息，再由CMOS圖像傳感器芯片采集光學(xué)影像，SDRAM存儲(chǔ)影像數(shù)據(jù)，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算出溶液密度。密度檢測(cè)運(yùn)行時(shí)，LED發(fā)光功率100 mW，圖像傳感芯片能耗150 mW，存儲(chǔ)器RAM能耗100 mW；密度檢測(cè)模塊待機(jī)時(shí)，LED不發(fā)光，圖像傳感芯片休眠功耗近乎為零，RAM休眠能耗小于3 mW。

電壓測(cè)量功能使用模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）芯片完成。AD芯片由電源模塊供電，通過(guò)與蓄電池連接采集電池電壓，把測(cè)量結(jié)果反饋給DSP。電壓測(cè)量模塊工作電流小于2 mA，功耗不足6 mW。

溫度測(cè)量采用DS18B20芯片，該芯片技術(shù)成熟，運(yùn)用領(lǐng)域廣泛，功耗小于5 mW[5]。

液位監(jiān)測(cè)用的是光電液位開(kāi)關(guān)，設(shè)有2個(gè)，分別對(duì)液位低于下限和液位高于上限進(jìn)行報(bào)警。每個(gè)光電液位開(kāi)關(guān)外有一個(gè)光學(xué)探頭，內(nèi)有一對(duì)發(fā)射、接收二極管，發(fā)射管持續(xù)發(fā)送紅外光。當(dāng)光學(xué)探頭與空氣接觸時(shí)，接收管能收到紅外光；而當(dāng)液體浸沒(méi)光學(xué)探頭時(shí)，紅外光進(jìn)入液體，接收管無(wú)紅外光。根據(jù)接收管收到的紅外光能量，就能判斷液位是否達(dá)到報(bào)警條件。每個(gè)液位開(kāi)關(guān)運(yùn)行功耗75 mW。

通信模塊采用的是CAN總線協(xié)議，功能是傳感器接收監(jiān)控主機(jī)的測(cè)量指令，反饋各參數(shù)測(cè)量結(jié)果給主機(jī)。為防止總線上的電磁噪聲影響傳感器電路，CAN通信模塊需要進(jìn)行2000 V等級(jí)隔離設(shè)計(jì)，運(yùn)用逆變器、變壓器、光耦等技術(shù)，隔絕電氣干擾。通信模塊運(yùn)行功耗約200 mW。

將各模塊的功耗匯總，得到表1（電源模塊的損耗已經(jīng)分?jǐn)傇诟鞴δ苣K中）。傳感器在進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)功耗約1.91 W，待機(jī)或進(jìn)行其他工作的功耗約1.26 W，其中DSP的能耗占比超過(guò)60%。

表1 原傳感器能耗明細(xì)

安裝在電池上的傳感器，通常每分鐘測(cè)量一次密度，密度測(cè)量時(shí)間持續(xù)5秒，傳感器的平均功耗是：

一種常見(jiàn)的船舶用鉛酸蓄電池容量約10300安時(shí)[6]，蓄電池的平均工作電壓2.1 V，在3個(gè)月的電池周期治療間隔期間，傳感器累計(jì)消耗1356 AH的電能，占電池總?cè)萘康?3.2%。因此，蓄電池監(jiān)測(cè)裝置估算蓄電池組荷電狀態(tài)，也將產(chǎn)生最大13.2%的系統(tǒng)誤差，誤差在蓄電池組周期治療后消除。

2 低功耗設(shè)計(jì)方法

2.1 降低DSP芯片功耗

前文的分析表明，傳感器的功耗主要來(lái)自DSP芯片，減低功耗首先從DSP芯片著手。在進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，需要調(diào)用DSP的浮點(diǎn)乘法器運(yùn)行圖像處理算法，因此DSP的功耗不可省略。而傳感器在進(jìn)行其他參數(shù)測(cè)量或待機(jī)運(yùn)行時(shí)，DSP只是起到控制IO接口和進(jìn)行少量運(yùn)算的功能，而功耗仍然達(dá)到900 mW。說(shuō)明在待機(jī)時(shí)，DSP性能的冗余造成了電力的浪費(fèi)。由此，我們提出如下設(shè)計(jì)，使傳感器在進(jìn)行密度測(cè)量時(shí)，開(kāi)啟DSP運(yùn)算功能；傳感器在進(jìn)行其它測(cè)量工作和待機(jī)時(shí)，關(guān)閉DSP，由低功耗的單片機(jī)進(jìn)行控制和運(yùn)算。

圖2 對(duì)DSP進(jìn)行能耗管理的傳感器設(shè)計(jì)

對(duì)DSP進(jìn)行能耗管理后，傳感器的功能框圖如上。用單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)各測(cè)量功能的控制，DSP僅用于密度測(cè)量。對(duì)DSP的電源輸入設(shè)置一對(duì)基于MOSFET管原理的開(kāi)關(guān)，其通斷狀態(tài)由單片機(jī)控制。DSP芯片分為的內(nèi)核和外圍兩部分，內(nèi)核用于運(yùn)算，由1.2 V電源供電，外圍控制I2C、SPI等通信接口，電源需3.3 V。啟動(dòng)DSP時(shí)，單片機(jī)首先打開(kāi)1.2 V電源的開(kāi)關(guān)，約1 ms后再開(kāi)通3.3 V電源開(kāi)關(guān)；關(guān)閉DSP時(shí)，單片機(jī)先斷開(kāi)3.3 V電源，最后切斷1.2 V電源。密度測(cè)量模塊的運(yùn)行/待機(jī)狀態(tài)改由單片機(jī)控制，其圖像數(shù)據(jù)接口仍與DSP連接。進(jìn)行密度測(cè)量工作時(shí)，單片機(jī)首先通過(guò)電源開(kāi)關(guān)控制DSP啟動(dòng)，再控制密度測(cè)量模塊進(jìn)入運(yùn)行，DSP采集圖像數(shù)據(jù)并計(jì)算獲得電解液密度，把密度值傳遞至單片機(jī)。與圖1的原傳感器相比，密度測(cè)量時(shí)還增加了單片機(jī)和電源開(kāi)關(guān)的功耗，電源開(kāi)關(guān)選用漏電流極低的TPS27082型號(hào)，功耗可忽略，單片機(jī)選用工業(yè)界常用的LPC系列，功耗約140 mW。待機(jī)和進(jìn)行其它測(cè)量時(shí)，DSP芯片電源被切斷，與原傳感器相比，控制芯片的功耗從900 mW降至140 mW，節(jié)省84%。

2.2 液位、通信模塊的功耗管理

根據(jù)液位監(jiān)測(cè)和通信模塊的原理，接上電源就會(huì)按額定功率工作，功耗共350 mW。為降低功耗，采樣和管理DSP功耗同樣的思路，單片機(jī)操縱電源開(kāi)關(guān)，只在模塊需要工作時(shí)打開(kāi)電源，工作結(jié)束后關(guān)閉模塊供電，從根本上消除模塊的待機(jī)損耗。

如上圖所示，液位監(jiān)測(cè)模塊的供電是5 V，在其電源輸入線上設(shè)置MOSFET管。進(jìn)行液位監(jiān)測(cè)工作時(shí)，單片機(jī)開(kāi)啟液位監(jiān)測(cè)電源，并讀取液位狀態(tài)；監(jiān)測(cè)結(jié)束后，單片機(jī)操作MOSTET管關(guān)閉液位監(jiān)測(cè)電源，節(jié)省電力。

圖3 低功耗傳感器設(shè)計(jì)

通信模塊的供電是3.3 V，也在電源線上設(shè)置了開(kāi)關(guān)。對(duì)在線式傳感器而言，處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)要通信模塊保持運(yùn)作，隨時(shí)準(zhǔn)備接收上位機(jī)的指令。接收指令后進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，可以暫時(shí)關(guān)閉通信功能，測(cè)量結(jié)束后，需要再打開(kāi)通信，把結(jié)果返回上位機(jī)。

2.3 優(yōu)化傳感器的運(yùn)行模式

傳感器具有多個(gè)功能模塊，為充分發(fā)揮其性能，同時(shí)減小功耗，需要用單片機(jī)軟件控制各功能模塊的開(kāi)啟/休眠狀態(tài)。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，傳感器控制軟件分為密度測(cè)量、液位監(jiān)測(cè)和待機(jī)三種運(yùn)行模式。

1）密度測(cè)量模式

傳感器接收到密度測(cè)量指令后，控制電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉通信模塊和液位監(jiān)測(cè)模塊的電源，開(kāi)啟DSP芯片電源，喚醒密度測(cè)量模塊，進(jìn)行基于圖像處理的密度測(cè)量工作。單片機(jī)接收到DSP發(fā)送的密度測(cè)量結(jié)果后，使密度模塊進(jìn)入休眠，再切斷DSP電源，最后開(kāi)啟通信模塊電源，把測(cè)量結(jié)果返回上位機(jī)。密度測(cè)量運(yùn)行中的功耗約為1701 mW，見(jiàn)表2。

2）液位監(jiān)測(cè)模式

傳感器接收到液位監(jiān)測(cè)指令后，保持DSP和密度測(cè)量模塊關(guān)閉，單片機(jī)控制開(kāi)啟液位監(jiān)測(cè)模塊的電源，讀取液位開(kāi)關(guān)的數(shù)據(jù)，并將結(jié)果發(fā)送至上位機(jī)。由于開(kāi)啟液位監(jiān)測(cè)電源后1 ms內(nèi)即可讀取液位監(jiān)測(cè)結(jié)果，沒(méi)有必要為了節(jié)省能耗在如此短暫工作時(shí)間內(nèi)關(guān)閉通信模塊電源。液位監(jiān)測(cè)時(shí)傳感器的功耗約為504 mW。

3）待機(jī)模式

待機(jī)模式中，傳感器關(guān)閉密度測(cè)量和液位監(jiān)測(cè)有關(guān)模塊的電源，保持通信模塊運(yùn)作，以隨時(shí)接收上位機(jī)的測(cè)量指令。前文已分析，電壓測(cè)量和溫度測(cè)量模塊運(yùn)行功耗極低，在待機(jī)模式中，單片機(jī)操作電壓測(cè)量和溫度測(cè)量模塊持續(xù)運(yùn)行，不斷高速采集電壓和溫度數(shù)據(jù)，并用算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理，獲得穩(wěn)定的測(cè)量結(jié)果。單片機(jī)約3秒鐘更新一次溫度、電壓結(jié)果，當(dāng)上位機(jī)發(fā)來(lái)密度和溫度采集指令時(shí)，傳感器無(wú)需重新測(cè)量，直接把存儲(chǔ)的最新結(jié)果返回上位機(jī)，節(jié)省了測(cè)量時(shí)間。待機(jī)模式的功耗為354 mW。

表2 低功耗傳感器的能耗明細(xì)

表2對(duì)優(yōu)化后的傳感器功耗進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。相比于原傳感器功耗，密度測(cè)量時(shí)的功耗降低11%，液位監(jiān)測(cè)時(shí)的功耗降低60%，待機(jī)模式功耗節(jié)省最多，降低了72%。通常地，傳感器超過(guò)90%的時(shí)間運(yùn)行在待機(jī)模式，因此降低待機(jī)模式的功耗最具有實(shí)用意義。

2.4 綜合能耗分析

按傳感器每分鐘測(cè)量一次密度、六次液位和六次電壓的頻率計(jì)算，3個(gè)月時(shí)間，傳感器累計(jì)耗能480 AH，占蓄電池總?cè)萘?0300 AH[6]的4.7%，導(dǎo)致的蓄電池監(jiān)測(cè)裝置估算SOC系統(tǒng)誤差在5%以內(nèi)，相比原高功耗傳感器，測(cè)量精度顯著提高。

對(duì)于大容量的鉛酸蓄電池而言，最常見(jiàn)的工況是浮充和小電流放電，此時(shí)密度是緩變量，每30分鐘測(cè)一次密度就足以反映蓄電池的荷電狀態(tài)。把蓄電池組的充放電電流作為判斷密度采樣頻次的條件，大電流充放電時(shí)每分鐘測(cè)一次密度，隨著電流減小，采樣頻率逐漸降低至每30分鐘一次。這種動(dòng)態(tài)采樣頻次設(shè)計(jì)，可以在不影響電池密度測(cè)量精度的前提下，減小傳感器能耗，最低至每周期369 AH，占蓄電池總?cè)萘康?.6%。

3 驗(yàn)證情況

為驗(yàn)證上述降功耗設(shè)計(jì)方案，制作傳感器樣機(jī)，并參與試驗(yàn)。

3.1 樣機(jī)設(shè)計(jì)與制造

樣機(jī)設(shè)計(jì)分為硬件電路和嵌入式軟件兩部分。硬件上，為沿用原傳感器成熟的機(jī)械結(jié)構(gòu)，低功耗電路板的外形尺寸、厚度保持和高功耗電路板一致，通過(guò)優(yōu)化板面布置、增加電路板內(nèi)部導(dǎo)線層的方法，增加單片機(jī)、電源開(kāi)關(guān)等電路。軟件上，DSP保留圖像處理算法，把原傳感器控制電壓、液位、溫度測(cè)量和CAN通信模塊的代碼移植到單片機(jī)上，增加單片機(jī)運(yùn)行密度測(cè)量、液位監(jiān)測(cè)和待機(jī)工作模式的代碼。完成樣機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)后，委托工廠生產(chǎn)，得到低功耗蓄電池監(jiān)測(cè)傳感器樣機(jī)10臺(tái)。

3.2 能耗檢驗(yàn)

對(duì)每臺(tái)樣機(jī)，首先檢驗(yàn)、確認(rèn)其各項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)功能正常，再用電流表和電壓表測(cè)量其工作功率。10臺(tái)樣機(jī)測(cè)量結(jié)果的平均值如下表所示。結(jié)果顯示，理論計(jì)算功耗和實(shí)際測(cè)量值之間的誤差在4%以內(nèi)。

表3 樣機(jī)能耗檢驗(yàn)

3.3 可靠性試驗(yàn)

傳感器面向的應(yīng)用場(chǎng)景是蓄電池的免維護(hù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，必須能夠連續(xù)運(yùn)行數(shù)月甚至幾年時(shí)間。尤其是低功耗的傳感器中，DSP、密度測(cè)量模塊、液位監(jiān)測(cè)模塊和通訊模塊會(huì)反復(fù)經(jīng)歷斷電、上電過(guò)程，其可靠性能否滿足使用要求是改進(jìn)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵。以傳感器免維護(hù)工作時(shí)間10000小時(shí)作為驗(yàn)證目標(biāo)，按照GJB899A標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)可靠性試驗(yàn)。

使用10臺(tái)樣機(jī)同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，按照1.1倍的驗(yàn)證時(shí)間計(jì)算，總試驗(yàn)時(shí)間為1100小時(shí)，試驗(yàn)所有傳感器不出現(xiàn)任何故障，則認(rèn)為傳感器可靠工作時(shí)間滿足10000小時(shí)。試驗(yàn)中，每個(gè)傳感器每8秒進(jìn)行一次密度測(cè)量和一次液位監(jiān)測(cè)，其余時(shí)間為待機(jī)測(cè)量。試驗(yàn)在三綜合試驗(yàn)箱中進(jìn)行，環(huán)境溫度覆蓋0℃到55℃，濕度處于65%到95%，每12個(gè)小時(shí)為1個(gè)循環(huán)周期，共92個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)前、試驗(yàn)中每4小時(shí)、試驗(yàn)后都對(duì)傳感器功能進(jìn)行檢查。

按照上述試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇有資質(zhì)的第三方試驗(yàn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)運(yùn)行順利，所有檢測(cè)點(diǎn)功能均滿足要求，證明了本低功耗設(shè)計(jì)傳感器的可靠性達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)論

蓄電池監(jiān)測(cè)傳感器的能耗使檢查蓄電池容量低于其它非檢查池，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)裝置估算蓄電池組荷電狀態(tài)產(chǎn)生偏差。本文分析了傳感器各功能模塊的能耗，對(duì)硬件電路和軟件控制進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了低功耗版?zhèn)鞲衅?。通過(guò)理論計(jì)算和樣機(jī)的能耗檢測(cè)、可靠性試驗(yàn)等，驗(yàn)證了低功耗傳感器性能比原裝置明顯提升，滿足長(zhǎng)期準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池組荷電狀態(tài)的需求。

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Low Power Consumption Design of a Ship Battery Monitoring Device

Liu Hao, Huang Ling, Fan Pei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2019）09-0018-05

2018-04-19

劉昊（1987-），男，工程師。研究方向：光電技術(shù)，傳感器技術(shù)。E-mail: wiwimou@live.com