張 波

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277000）

0 引言

隨著自動(dòng)化供電的推廣與普及，安全性和智能性逐漸深入人心[1]。備用電源作為緊急供電的核心組成部分，其性能有著嚴(yán)格的要求。一般地，電源在啟動(dòng)時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)較大的瞬態(tài)電流，這對(duì)傳統(tǒng)的鉛酸電源將產(chǎn)生巨大的沖擊[2]。由于部分鉛酸電源的比能量難以滿足大功率條件，長(zhǎng)期硬啟動(dòng)條件下會(huì)大大縮短電源壽命，維護(hù)費(fèi)用居高不下，而且電池內(nèi)重金屬對(duì)環(huán)境的污染也是難以控制的[3]。因此，傳統(tǒng)的鉛酸電源逐漸被新型節(jié)能電源所取代[4]，比如鋰離子電源。但是，鋰離子電源對(duì)于工作溫度、充放電狀態(tài)的要求相對(duì)較高。針對(duì)以上問(wèn)題，文中提出一種單片機(jī)控制的供電監(jiān)測(cè)與保護(hù)系統(tǒng)，可用于復(fù)雜的供電工作環(huán)境，通過(guò)總體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及關(guān)鍵硬件的選型提升備用蓄電池電源供電過(guò)程的可靠性和安全性。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

根據(jù)備用電源的供電原理可知，供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不但影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且對(duì)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本、檢測(cè)精度、集成度都有著關(guān)鍵的影響[5]。目前，用于供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞桨钢饕蟹植际?、集中式和主從式等?/p>

分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理如圖1所示，需要對(duì)每塊蓄電池進(jìn)行檢測(cè)，每塊蓄電池均受到獨(dú)立檢測(cè)電路控制，因此需要多個(gè)單體電路板。這些電路板便于接線，承壓范圍較小，檢測(cè)精度可靠，可通過(guò)總線分布式地將數(shù)據(jù)端和控制端結(jié)合在一起，最終將被測(cè)數(shù)據(jù)輸送至總控制器。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要多個(gè)電路板，因此成本較高，而且在復(fù)雜條件下的抗擾性不易控制，電路對(duì)總線的載荷偏大，而且接線后的系統(tǒng)占用空間較大。

電池組的集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅需要1個(gè)或2個(gè)電路板即可完成充放電的檢測(cè)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將整個(gè)供電系統(tǒng)的控制板集成，在單獨(dú)的設(shè)備上即可完成全部電源的信號(hào)檢測(cè)，包括電壓、電流、溫度等，并具備功率均衡和實(shí)時(shí)通訊功能。集中式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)工作條件的要求相對(duì)不高，專用的控制芯片一般均可以實(shí)現(xiàn)較快的檢測(cè)速度，抗干擾能力良好，而且成本較低。但是，由于電池檢測(cè)為集中式，對(duì)于單一電池的信號(hào)反饋精度存在一定的不足，而且信號(hào)不易隔離。當(dāng)單電池?cái)?shù)量較多時(shí)，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，而且受環(huán)境影響較大。因此，適用于容量較小而且電池?cái)?shù)量較少的供電條件。

圖1 分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在復(fù)雜的條件下，分布式和集中式的電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均不能有效地滿足生產(chǎn)需要。為此，文中采用主從式的電池拓?fù)涔芾矸绞?。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示，將多個(gè)電池進(jìn)行模塊化，較少數(shù)量的電池組組成從模塊，可獨(dú)立完成單個(gè)電池的信號(hào)檢測(cè)。此外，多個(gè)從模塊形成串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可確保相互之間通訊的可靠性。

主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的保護(hù)功能，模塊之間接線方便，而且易于后期系統(tǒng)的升級(jí)或電池組的擴(kuò)充。從控制層次方面分析，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在大功率電池組方面的檢測(cè)級(jí)別更為清晰，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)供電網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可將總的控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化[6]，具體分為：總控模塊、監(jiān)測(cè)模塊、均衡模塊、采集模塊、通訊模塊等。這些模塊協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)電池被測(cè)信號(hào)的采集、發(fā)送、反饋、保護(hù)和顯示。

（1）總控模塊

總控模塊是整個(gè)電池控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所有功能的關(guān)鍵，受控的傳感器包括霍爾電流傳感器、溫度傳感器、煙霧傳感器等，具體功能有：基于總線傳輸對(duì)檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理；讀取信號(hào)并作出預(yù)設(shè)的反饋，功能芯片的型號(hào)為L(zhǎng)TC6803-3；對(duì)電源的溫度值進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，進(jìn)而優(yōu)化控制電池的充電和放電過(guò)程。

（2）監(jiān)測(cè)模塊和均衡模塊

在主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，監(jiān)測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)從模塊的電壓監(jiān)測(cè)，所收集的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)基于SPI總線傳遞至總控模塊的處理器。當(dāng)監(jiān)測(cè)模塊周期內(nèi)反饋的電壓差大于限定值時(shí)，需要通過(guò)均衡模塊對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行功率均衡。

（3）采集模塊

采集模塊是決定控制系統(tǒng)精度的關(guān)鍵模塊，其主要功能為采集從模塊的電流信號(hào)，并通過(guò)電路分析確定供電系統(tǒng)是否處于過(guò)載狀態(tài)，并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的保護(hù)操作[7]。從結(jié)構(gòu)方面分析，采集模塊的功能集中在霍爾電流元件的信號(hào)采集以及模數(shù)轉(zhuǎn)換?；魻栯娏髟灤┕β市盘?hào)線，感應(yīng)后的電壓信號(hào)需要通過(guò)放大處理才能輸送至控制器?？刂破鞑捎脝纹瑱C(jī)，可直接計(jì)算出采集的電流值。結(jié)合雙量程電流檢測(cè)控制電路，采集模塊能夠更精確地獲取充放電狀態(tài)。溫度采集對(duì)于電池工作的穩(wěn)定性有著重要的作用，特別是防爆電池。電池的外部結(jié)構(gòu)為塑料材質(zhì)，因此，需將溫度傳感器設(shè)置于電池極耳位置，傳感器型號(hào)為DS18B20，基于主從方式，通過(guò)總線傳輸?shù)娇偪啬K，便于后續(xù)處理。

（4）通訊模塊

通訊模塊是確保信號(hào)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵模塊，在該系統(tǒng)中主要有兩種方式：SPI 通訊和CAN 總線通訊。這兩種通訊方式應(yīng)用的范圍不同，SPI通訊用于鋰電池的電壓信號(hào)和均衡電路信號(hào)的傳輸，信號(hào)源為L(zhǎng)TC6803-3 采集器芯片；CAN 總線通訊主要用于連接總控模塊與數(shù)據(jù)顯示端（液晶顯示屏），還可以在調(diào)試過(guò)程中連接調(diào)試裝備，利于信號(hào)的讀取。SPI通訊和CAN 總線通訊的供電端為獨(dú)立設(shè)置，通過(guò)不共地隔離方法[8]，有效降低干擾性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊電路

主控模塊是整個(gè)電池控制系統(tǒng)的核心，由單片機(jī)及外圍電路組成，執(zhí)行數(shù)據(jù)收集、處理以及信號(hào)反饋。該模塊用于控制電壓監(jiān)測(cè)和功率均衡的電路通過(guò)SPI隔離總線連與主控模塊中的單片機(jī)連接。采集模塊的被測(cè)信號(hào)則通過(guò)CAN 總線的方式與單片機(jī)連接。CAN 總線通訊的芯片為PCA82C250，其作為主要收發(fā)器，為控制器和物理總線提供接口。在該系統(tǒng)中，主控模塊所采用的單片機(jī)型號(hào)為STM32F103RET6，功能強(qiáng)大，可開(kāi)發(fā)性良好，性價(jià)比高，屬于高容量型芯片，為32 位處理器，通訊接口多達(dá)13個(gè)。此外，還具有11個(gè)定時(shí)器和3個(gè)12位的DA轉(zhuǎn)換器。

2.2 監(jiān)測(cè)模塊電路

監(jiān)測(cè)模塊采用的芯片型號(hào)為L(zhǎng)TC6803-3，屬于凌力爾特的次代產(chǎn)品，其接線圖如圖3所示。該芯片內(nèi)部設(shè)置有多個(gè)接口，能夠一次性測(cè)量12 個(gè)單電池的信息。此外，基于串行口可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的監(jiān)測(cè)信號(hào)獲取，可與STM32的芯片進(jìn)行SPI通信，每個(gè)芯片之間無(wú)需再采用耦合器或者隔離器，降低監(jiān)測(cè)模塊的復(fù)雜性和繁瑣性。為避免電池的過(guò)充問(wèn)題，芯片能夠控制電路進(jìn)行部分放電。在功率均衡方面，監(jiān)測(cè)模塊電路可以實(shí)現(xiàn)低功耗。在高集成度條件下，監(jiān)測(cè)模塊仍保持高的監(jiān)測(cè)效率和精度。

圖3 LTC6803-3接線電路

2.3 保護(hù)控制電路

圖4 接觸器接線電路

蓄電池組長(zhǎng)期工作或者在復(fù)雜的環(huán)境下時(shí)，出現(xiàn)充放電異常的概率會(huì)大大增加。當(dāng)主控模塊發(fā)出異常反饋信號(hào)時(shí)，需要對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行保護(hù)，即通過(guò)開(kāi)關(guān)量控制避免電池的過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象，消除爆炸隱患。在保護(hù)控制電路中，采用了接觸器作為保護(hù)開(kāi)關(guān)元件，型號(hào)為MZJ400A/006，其接線圖如圖4所示。該接觸器可承受的最大電流為400 A，工作電壓值為48 V。由于單片機(jī)的直接輸出電流較小，因此需要將其二級(jí)放大后才能夠接入接觸器。在放大電路中，放大處理有兩部分：三級(jí)管放大和中間繼電器放大。為便于調(diào)試，在三極管放大回路中接入發(fā)光二極管，可校驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路的工作狀態(tài)。單片機(jī)能夠直接通過(guò)放大電路控制接觸器的閉合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)有效地保護(hù)功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中所研究的備用電源供電系統(tǒng)不但比能量較高，而且易于實(shí)現(xiàn)智能化控制。在單片機(jī)的控制下，電池控制系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性更高，在模塊化的設(shè)計(jì)過(guò)程中，便于系統(tǒng)升級(jí)與更新。蓄電池控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并且逐漸延伸至其他設(shè)備的電池系統(tǒng)，可為新能源發(fā)展和應(yīng)用提供一定的支持。