海洋探測(cè)機(jī)器人蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

孫曉輝

(煙臺(tái)汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 265500)

海洋探測(cè)機(jī)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(shí)現(xiàn)救助打撈、近海搜索、船體檢修、能源勘探、管道維護(hù)等任務(wù)[2]。海洋探測(cè)機(jī)器人依靠水下推進(jìn)器運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)要求裝載觀測(cè)設(shè)備(攝像機(jī)、照相機(jī)、照明燈等)和作業(yè)設(shè)備(機(jī)械手、切割器、清洗器等)，而這些設(shè)備的運(yùn)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(hù)頻繁，逐漸被鋰離子蓄電池取代[4]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蓄電池管理系統(tǒng)展開深入研究，具有代表性的有德國(guó)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(shí)現(xiàn)了海洋電源的遠(yuǎn)程供電和管理，可完成運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)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(jì)并應(yīng)用先進(jìn)、合理的電池管理系統(tǒng)是提升電池性能的重要手段。針對(duì)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(jī)控制的充放電管理系統(tǒng)。通過硬件及維護(hù)電路的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)充、放電過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效地避免過充、過放和過溫對(duì)電池穩(wěn)定性及壽命的影響。該系統(tǒng)滿足海洋安全標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值，可實(shí)現(xiàn)良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 功能設(shè)計(jì)

根據(jù)海洋航行器的能源發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合探測(cè)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(jì)獨(dú)立的隔爆箱[8]，箱內(nèi)只能存放電池組、傳感器和熔斷保護(hù)器，其他與電池管理系統(tǒng)相關(guān)的硬件需設(shè)定單獨(dú)的保護(hù)容器。

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

海洋探測(cè)機(jī)器人蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)保護(hù)模塊的工作流程如圖1所示，可以看出，除了要求實(shí)現(xiàn)較高的監(jiān)測(cè)精度和實(shí)時(shí)性，還應(yīng)具備多種類型的保護(hù)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(shí)現(xiàn)任意單電池的動(dòng)態(tài)電壓值監(jiān)測(cè)，誤差低于0.5%；單電池的表面溫度監(jiān)測(cè)，偏差低于±2 ℃；電池組的電流監(jiān)測(cè)，誤差低于2%；電池組的電壓監(jiān)測(cè)，誤差低于0.5%；電池組的容量監(jiān)測(cè)，誤差低于5%。

(2)單電池的過充/過放保護(hù)功能；單電池的過充/過放失效檢測(cè)功能。

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

(4)供電的均衡控制功能；信號(hào)采集電路的開路保護(hù)功能。

1.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于海洋探測(cè)機(jī)器人的運(yùn)載功率較大，供電所需的單電池?cái)?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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，否則將嚴(yán)重影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及設(shè)計(jì)成本。目前，在蓄電池控制領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有分布式、集中式和主從式3種。

分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求每塊單電池均連接獨(dú)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(gè)電路板最終以并列的形式連接主控模塊。該類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)精度較高，安全性和獨(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅采用一塊電路板進(jìn)行電池參數(shù)信息的監(jiān)測(cè)和處理，具有集成度高，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于較多數(shù)量的單電池，電路板的復(fù)雜程度會(huì)急劇增大，不易加工。主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電池組進(jìn)行了二次劃分，將特定數(shù)量的單電池作為局部控制對(duì)象，采用主從形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的通信，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性好，抗干擾能力強(qiáng)，但是成本較高，適用于較多數(shù)量電池的管理系統(tǒng)。

對(duì)于文中所研究的海洋探測(cè)機(jī)器人，為達(dá)到24 V的標(biāo)稱電壓，需串聯(lián)8塊單電池作為1個(gè)電池組。此外，為滿足總額定容量要求，需并聯(lián)12個(gè)電池組。因此，優(yōu)先選用主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總額定容量可達(dá)到600 Ah。

1.3 模塊化設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)，對(duì)海洋探測(cè)機(jī)器人蓄電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，包括單電池電壓監(jiān)測(cè)模塊、電流監(jiān)測(cè)模塊、均衡模塊、溫度監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)各個(gè)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(cè)模塊采用了專用芯片進(jìn)行信號(hào)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(cè)模塊主要基于DS18B20溫度傳感器對(duì)電池極耳的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)(圖2)，通過CAN總線[10]與總控模塊連接；電流監(jiān)測(cè)模塊具有檢測(cè)和保護(hù)功能，可通過雙量程檢測(cè)電路[11]將運(yùn)算放大后的被測(cè)信號(hào)傳輸至單片機(jī)。

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(jì)

2.1 主控模塊

從本質(zhì)上講，主控模塊是指維持單片機(jī)正常運(yùn)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(shí)現(xiàn)程序的上傳及半自動(dòng)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(jī)，芯片的型號(hào)為F103RET6，具有性價(jià)比高、可開發(fā)和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，在信號(hào)處理方面有著良好的可靠性。該單片機(jī)屬于容量增強(qiáng)的32位處理器，閃存大小為512 kB，不同類型的接口共計(jì)13個(gè)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器共計(jì)3個(gè)，均為12位。

主控模塊的控制原理圖如圖3所示，具有多個(gè)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(jì)4根，可實(shí)現(xiàn)與電壓監(jiān)測(cè)模塊、均衡模塊之間的數(shù)據(jù)通信；用于電流監(jiān)測(cè)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(cè)模塊與單片機(jī)有1條電路連接；開關(guān)量控制模塊占用控制器的1個(gè)端口；CAN傳輸包括CAN_RX和CAN_TX兩個(gè)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(cè)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(hào)檢測(cè)通道多達(dá)12路，超過了電池組的單電池?cái)?shù)量(8塊)。芯片的接線電路如圖4所示，余出來的4路檢測(cè)通道均與100 Ω的電阻相連，避免監(jiān)測(cè)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(cè)要求和工作標(biāo)準(zhǔn)。LTC6803-3芯片具有看門狗定時(shí)器電路，可與單片機(jī)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(hào)或指令，對(duì)應(yīng)單片機(jī)的引腳將切換至低電平，同時(shí)配置寄存器位將被復(fù)位至系統(tǒng)默認(rèn)的上電狀態(tài)，芯片保持低功耗的待機(jī)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(jī)發(fā)出，發(fā)光二極管可標(biāo)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(shí)現(xiàn)。為確保通信的可靠性，外圍電路中增加兩個(gè)Si8441四通道數(shù)字隔離芯片[12]，每個(gè)芯片可提供4個(gè)通道的電信號(hào)隔離，具有低功耗、信號(hào)轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)。Si8441隔離芯片在電池電壓信號(hào)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(jiǎn)化了單電池電壓監(jiān)測(cè)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(cè)模塊中斷運(yùn)行，甚至造成不可逆的損壞。因此，需要針對(duì)蓄電池的參數(shù)偏差增設(shè)均衡模塊，防止充放電時(shí)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(duì)海洋石油安全標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定啟用均衡處理的必要條件為：?jiǎn)坞姵氐碾妷褐蹈哂?.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(shí)，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(shí)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(dòng)電壓值為1.8 V，可實(shí)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(dá)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(hù)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(jìn)

根據(jù)各個(gè)模塊的功能以及邏輯關(guān)系，將硬件及相關(guān)電路進(jìn)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(shí)時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的電路板總體面積仍過大，驅(qū)動(dòng)電路的散熱不足，需要對(duì)電路板進(jìn)行二次優(yōu)化。

針對(duì)系統(tǒng)調(diào)試出現(xiàn)的問題，執(zhí)行如下改進(jìn)措施：(1)將初始設(shè)計(jì)的主電路板拆分成3塊進(jìn)行疊加，其中上、下兩塊電路板主要實(shí)現(xiàn)單電池參數(shù)監(jiān)測(cè)、電壓均衡處理等功能，中間電路板實(shí)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(duì)MOS管電路進(jìn)行改進(jìn)，減少功率電阻，增加散熱片或其他強(qiáng)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(jìn)一步改善硬件的總體散熱能力，將主控模塊中的獨(dú)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(jī)和通信模塊芯片的穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 測(cè)試效果分析

硬件結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，可再次校驗(yàn)系統(tǒng)的功能及效果。為降低隨機(jī)因素對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，對(duì)4組電池組同時(shí)進(jìn)行放電測(cè)試。電池組的接線圖如圖7所示，初始化之后即可實(shí)現(xiàn)電池各種參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)模塊，可得出8塊單電池(Bat.1～Bat.8)的瞬態(tài)電壓波動(dòng)，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(yàn)證系統(tǒng)的測(cè)試精度，采用萬用表對(duì)8塊單電池電壓分別進(jìn)行多次測(cè)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(cè)精度非常高，完全滿足海洋設(shè)備對(duì)安全性和可靠性的要求。

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

4 結(jié)論

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

(1)對(duì)于監(jiān)測(cè)方式，采用主從式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可有效地實(shí)現(xiàn)電池組的二次劃分，相比分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性好，抗干擾能力強(qiáng)；由于單電池?cái)?shù)量較多，為避免驅(qū)動(dòng)電路散熱不足帶來的危害，需要對(duì)電路板進(jìn)行二次優(yōu)化。

(2)基于STM32 F103RET6單片機(jī)控制的蓄電池管理系統(tǒng)具有較高的檢測(cè)精度，單電池電壓的最大測(cè)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(dòng)值和溫度值均滿足設(shè)計(jì)要求。