孫曉輝

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265500)

海洋探測機器人是水下救援與資源開發(fā)最重要的工程裝備之一[1]，可實現(xiàn)救助打撈、近海搜索、船體檢修、能源勘探、管道維護等任務(wù)[2]。海洋探測機器人依靠水下推進器運動，可根據(jù)要求裝載觀測設(shè)備(攝像機、照相機、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機械手、切割器、清洗器等)，而這些設(shè)備的運行均依賴于蓄電池[3]。目前，由于鉛酸電池比能量較小，壽命短，而且維護頻繁，逐漸被鋰離子蓄電池取代[4]。國內(nèi)外學(xué)者對蓄電池管理系統(tǒng)展開深入研究，具有代表性的有德國的Mentzer Electronic GmbH開發(fā)出BADICHEQ系統(tǒng)[5]，其具有非常高的放電電流控制精度；北京交通大學(xué)與惠州億能電子合作開發(fā)了BMS系統(tǒng)[6]，首次應(yīng)用到新能源汽車中；陳潔等[6]基于可編程邏輯門陣列實現(xiàn)了海洋電源的遠程供電和管理，可完成運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

在海洋科技與裝備行業(yè)，蓄電池技術(shù)的發(fā)展速度仍落后于設(shè)備的發(fā)展需求，設(shè)計并應(yīng)用先進、合理的電池管理系統(tǒng)是提升電池性能的重要手段。針對鋰離子蓄電池安全性較差、溫度敏感性高、充放電不易控制等問題，本文提出一種基于STM32單片機控制的充放電管理系統(tǒng)。通過硬件及維護電路的設(shè)計，可實現(xiàn)充、放電過程的實時監(jiān)測，有效地避免過充、過放和過溫對電池穩(wěn)定性及壽命的影響。該系統(tǒng)滿足海洋安全標準，具有較高的應(yīng)用價值，可實現(xiàn)良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 功能設(shè)計

根據(jù)海洋航行器的能源發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合探測功能的基本要求[7]，優(yōu)先將安全性能較高的磷酸鋰鐵蓄電池作為系統(tǒng)供電電源，其功能參數(shù)應(yīng)滿足以下基本要求：

(1)單電池額定電壓為3.2 V，容量為50 Ah，而且在正常充電或放電狀態(tài)下，表面溫度不得超過60 ℃；

(2)電池組由單電池串聯(lián)而成，總額定容量不低于500 Ah，要求單電池不得混合串聯(lián)，確保每塊鋰電池的規(guī)格參數(shù)、品牌廠家均一致；

(3)根據(jù)電池組的總體尺寸設(shè)計獨立的隔爆箱[8]，箱內(nèi)只能存放電池組、傳感器和熔斷保護器，其他與電池管理系統(tǒng)相關(guān)的硬件需設(shè)定單獨的保護容器。

圖1 系統(tǒng)保護模塊工作流程Fig.1 Workflow of the system protection module

海洋探測機器人蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)保護模塊的工作流程如圖1所示，可以看出，除了要求實現(xiàn)較高的監(jiān)測精度和實時性，還應(yīng)具備多種類型的保護性能。根據(jù)海洋環(huán)境及工作條件，確定該系統(tǒng)的主要功能有：

(1)實現(xiàn)任意單電池的動態(tài)電壓值監(jiān)測，誤差低于0.5%；單電池的表面溫度監(jiān)測，偏差低于±2 ℃；電池組的電流監(jiān)測，誤差低于2%；電池組的電壓監(jiān)測，誤差低于0.5%；電池組的容量監(jiān)測，誤差低于5%。

(2)單電池的過充/過放保護功能；單電池的過充/過放失效檢測功能。

(3)電池組的充放電過程中的電流過載保護功能；短路保護功能；過溫度保護功能。

(4)供電的均衡控制功能；信號采集電路的開路保護功能。

1.2 拓撲結(jié)構(gòu)

由于海洋探測機器人的運載功率較大，供電所需的單電池數(shù)量較多，因此需要根據(jù)系統(tǒng)的基本功能選取最合理的電池組拓撲結(jié)構(gòu)，否則將嚴重影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及設(shè)計成本。目前，在蓄電池控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的拓撲結(jié)構(gòu)主要有分布式、集中式和主從式3種。

分布式拓撲結(jié)構(gòu)要求每塊單電池均連接獨立的數(shù)據(jù)采集模塊，每部分采集模塊需要一塊電路板，多個電路板最終以并列的形式連接主控模塊。該類型的拓撲結(jié)構(gòu)精度較高，安全性和獨立性較好，但是所需的硬件及電路較多，成本較高，占用空間大，抗干擾能力較差。集中式拓撲結(jié)構(gòu)僅采用一塊電路板進行電池參數(shù)信息的監(jiān)測和處理，具有集成度高，數(shù)據(jù)實時性好等優(yōu)點，但是對于較多數(shù)量的單電池，電路板的復(fù)雜程度會急劇增大，不易加工。主從式拓撲結(jié)構(gòu)對電池組進行了二次劃分，將特定數(shù)量的單電池作為局部控制對象，采用主從形式實現(xiàn)信號的通信，該拓撲結(jié)構(gòu)可擴展性好，抗干擾能力強，但是成本較高，適用于較多數(shù)量電池的管理系統(tǒng)。

對于文中所研究的海洋探測機器人，為達到24 V的標稱電壓，需串聯(lián)8塊單電池作為1個電池組。此外，為滿足總額定容量要求，需并聯(lián)12個電池組。因此，優(yōu)先選用主從式拓撲結(jié)構(gòu)，總額定容量可達到600 Ah。

1.3 模塊化設(shè)計

為了更好地實現(xiàn)功能設(shè)計，對海洋探測機器人蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)進行模塊劃分，包括單電池電壓監(jiān)測模塊、電流監(jiān)測模塊、均衡模塊、溫度監(jiān)測模塊、通信模塊、主控模塊等。其中，主控模塊是蓄電池管理系統(tǒng)的核心部分，可實現(xiàn)各個模塊之間的通信和采集數(shù)據(jù)的處理；單電池電壓監(jiān)測模塊采用了專用芯片進行信號采集，可通過SPI總線[9]與主控模塊交換數(shù)據(jù)；溫度監(jiān)測模塊主要基于DS18B20溫度傳感器對電池極耳的溫度進行監(jiān)測(圖2)，通過CAN總線[10]與總控模塊連接；電流監(jiān)測模塊具有檢測和保護功能，可通過雙量程檢測電路[11]將運算放大后的被測信號傳輸至單片機。

圖2 溫度傳感器連接位置Fig.2 Connection position of the temperature sensor

2 主要硬件及電路設(shè)計

2.1 主控模塊

從本質(zhì)上講，主控模塊是指維持單片機正常運行的微系統(tǒng)，包括控制器元件、接線電路等。主控模塊在常規(guī)復(fù)位電路的基礎(chǔ)上增設(shè)了串行口，可實現(xiàn)程序的上傳及半自動調(diào)試。電池充放電管理系統(tǒng)的主控制器選用STM32系列單片機，芯片的型號為F103RET6，具有性價比高、可開發(fā)和擴展性好等優(yōu)點，在信號處理方面有著良好的可靠性。該單片機屬于容量增強的32位處理器，閃存大小為512 kB，不同類型的接口共計13個，模數(shù)轉(zhuǎn)換器共計3個，均為12位。

主控模塊的控制原理圖如圖3所示，具有多個電池組控制器?？刂齐娐犯餍酒念~定電壓為3.3 V；SPI總線共計4根，可實現(xiàn)與電壓監(jiān)測模塊、均衡模塊之間的數(shù)據(jù)通信；用于電流監(jiān)測的線路有3條，均與控制器的模數(shù)接口相連接；溫度監(jiān)測模塊與單片機有1條電路連接；開關(guān)量控制模塊占用控制器的1個端口；CAN傳輸包括CAN_RX和CAN_TX兩個接口。

圖3 主控模塊控制原理Fig.3 Control principle of the main control module

2.2 單電池電壓監(jiān)測模塊

系統(tǒng)中的單電池電壓采集模塊采用專用的控制芯片LTC6803-3，其信號檢測通道多達12路，超過了電池組的單電池數(shù)量(8塊)。芯片的接線電路如圖4所示，余出來的4路檢測通道均與100 Ω的電阻相連，避免監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互干擾。單電池串聯(lián)電壓大于芯片所要求的最低工作電壓10 V，完全滿足該模塊的檢測要求和工作標準。LTC6803-3芯片具有看門狗定時器電路，可與單片機的第37引腳相連接。若LTC6803-3在間隔3 s內(nèi)未收到持續(xù)的信號或指令，對應(yīng)單片機的引腳將切換至低電平，同時配置寄存器位將被復(fù)位至系統(tǒng)默認的上電狀態(tài)，芯片保持低功耗的待機狀態(tài)。此外，看門狗電路還具備電池放電電路的切斷功能，控制指令由單片機發(fā)出，發(fā)光二極管可標記芯片的工作狀態(tài)。

圖4 電壓采集電路Fig.4 Voltage acquisition circuit

單電池電壓采集模塊中的控制芯片與其他模塊之間的通信均基于SPI總線實現(xiàn)。為確保通信的可靠性，外圍電路中增加兩個Si8441四通道數(shù)字隔離芯片[12]，每個芯片可提供4個通道的電信號隔離，具有低功耗、信號轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。Si8441隔離芯片在電池電壓信號的數(shù)字化通信方面表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，取消了光電耦合器[13]的接入，有效地簡化了單電池電壓監(jiān)測模塊外圍電路的總體結(jié)構(gòu)。

2.3 均衡模塊

通過傳感器得出LTC6803-3芯片溫度與放電電流之間的關(guān)系，如圖5所示?？梢钥闯?塊單電池串聯(lián)條件下的芯片溫度隨著放電電流的增大急劇增大。若芯片溫度過高，將導(dǎo)致電壓監(jiān)測模塊中斷運行，甚至造成不可逆的損壞。因此，需要針對蓄電池的參數(shù)偏差增設(shè)均衡模塊，防止充放電時的電流過大。

圖5 芯片溫度與放電電流關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between chip temperature and discharge current

針對海洋石油安全標準，設(shè)定啟用均衡處理的必要條件為：單電池的電壓值高于3.4 V；任意單電池的電壓超出所有單電池平均電壓10 mV。系統(tǒng)的電壓均衡電路如圖6所示，可以看出，當(dāng)均衡模塊工作時，MOS開關(guān)將切換至閉合狀態(tài)，電池將以電阻發(fā)熱和散熱的形式消耗一定的功率，實現(xiàn)電壓的均衡效果。均衡模塊中的開關(guān)量元件選用FDS4465，其最低柵極驅(qū)動電壓值為1.8 V，可實現(xiàn)最高13.5 A的漏極電流，開關(guān)量切換效率高，可靠性好。均衡模塊采用的發(fā)熱電阻為5 Ω，均衡功率可達到1.8 W，均衡效果顯著。此外，均衡電路中設(shè)有穩(wěn)壓管和發(fā)光二極管，用于保護和警示芯片狀態(tài)。

圖6 電壓均衡電路Fig.6 Voltage equalization circuit

3 硬件調(diào)試與優(yōu)化

3.1 硬件結(jié)構(gòu)改進

根據(jù)各個模塊的功能以及邏輯關(guān)系，將硬件及相關(guān)電路進行組合與調(diào)試。調(diào)試結(jié)果表明，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定，實時性好，電壓、電流以及溫度等數(shù)據(jù)均顯示正常。但是，主從式拓撲結(jié)構(gòu)下的電路板總體面積仍過大，驅(qū)動電路的散熱不足，需要對電路板進行二次優(yōu)化。

針對系統(tǒng)調(diào)試出現(xiàn)的問題，執(zhí)行如下改進措施：(1)將初始設(shè)計的主電路板拆分成3塊進行疊加，其中上、下兩塊電路板主要實現(xiàn)單電池參數(shù)監(jiān)測、電壓均衡處理等功能，中間電路板實現(xiàn)核心控制、顯示及通信功能，從而有效地減小電路板總尺寸；(2)對MOS管電路進行改進，減少功率電阻，增加散熱片或其他強制散熱結(jié)構(gòu)，并將隔離電源接入中間層的電路板，抑制功率線的發(fā)熱作用。

為進一步改善硬件的總體散熱能力，將主控模塊中的獨立供電方式改為由通信模塊提供，并增加三端穩(wěn)壓集成電路[14]。該方案可在5 V以內(nèi)的壓降條件下保持單片機和通信模塊芯片的穩(wěn)定運行。

3.2 測試效果分析

硬件結(jié)構(gòu)改進后，可再次校驗系統(tǒng)的功能及效果。為降低隨機因素對系統(tǒng)可靠性的影響，對4組電池組同時進行放電測試。電池組的接線圖如圖7所示，初始化之后即可實現(xiàn)電池各種參數(shù)的實時監(jiān)測和顯示。這4組電池組的管理系統(tǒng)均工作正常，而且散熱性能良好。

基于蓄電池充放電管理系統(tǒng)的單電池電壓監(jiān)測模塊，可得出8塊單電池(Bat.1～Bat.8)的瞬態(tài)電壓波動，結(jié)果如圖8所示。8塊單電池的平均電壓為3.368 V，與Bat.1電池的最大偏差為6 mV，滿足電壓均衡要求。為驗證系統(tǒng)的測試精度，采用萬用表對8塊單電池電壓分別進行多次測量，得出兩者的均值偏差分別為0.96%、0.88%、0.98%、0.69%、0.70%、0.81%、0.94%和0.58%。由此可見，該系統(tǒng)的監(jiān)測精度非常高，完全滿足海洋設(shè)備對安全性和可靠性的要求。

圖8 不同單電池電壓的測量值Fig.8 Measured values of different single-battery voltages

4 結(jié)論

隨著海洋探測深度的增大，探測機器人對蓄電池充放電穩(wěn)定性的要求越來越高，因此，進一步提升蓄電池管理系統(tǒng)的安全性和遠程操作性是當(dāng)前重要的研究和發(fā)展方向。本文針對海洋探測機器人蓄電池充放電過程中容易出現(xiàn)的故障誘因，對蓄電池的狀態(tài)檢測系統(tǒng)進行了設(shè)計與研究，并得出結(jié)論：

(1)對于監(jiān)測方式，采用主從式拓撲結(jié)構(gòu)可有效地實現(xiàn)電池組的二次劃分，相比分布式拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可擴展性好，抗干擾能力強；由于單電池數(shù)量較多，為避免驅(qū)動電路散熱不足帶來的危害，需要對電路板進行二次優(yōu)化。

(2)基于STM32 F103RET6單片機控制的蓄電池管理系統(tǒng)具有較高的檢測精度，單電池電壓的最大測量誤差低于1%；系統(tǒng)的電壓均衡效果明顯，單電池電壓充放電過程中的波動值和溫度值均滿足設(shè)計要求。