一種船用蓄電池監測器的低功耗設計

劉 昊，黃 凌，樊 霈

一種船用蓄電池監測器的低功耗設計

劉 昊，黃 凌，樊 霈

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

船用蓄電池監測器通過檢測小部分蓄電池來估算整個電池組的容量。其傳感器增加被測蓄電池功耗，影響容量的計算。本文分析了當前傳感器各功能模塊的能耗，對硬件電路和軟件控制進行優化，設計了低功耗的傳感器。新傳感器功耗比原傳感器顯著降低，電池組容量的監測精度更高。通過可靠性試驗證明低功耗傳感器滿足長期穩定運行的需求。

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力或備用電源，對蓄電池的容量（又稱荷電狀態，SOC）的準確監測有十分重要的意義[1-2]。常用的監測方法是從蓄電池組中抽取小部分蓄電池作為檢查池，對檢查池的電極電壓，電解液的密度、溫度、液位等參數進行測量，再使用公式計算電池的SOC[3]。目前，在線式監測蓄電池參數的傳感器，已在艦船上得到廣泛應用。傳感器探頭深入電解液，測量液體的密度、溫度、液位信息。由于艙室線纜布置，防爆設計等原因，傳感器從被監測蓄電池獲取自身工作電源。

蓄電池監測裝置準確測量蓄電池組SOC的一個關鍵，是檢查池的荷電狀態與非檢查池的一致，測量檢查池參數就能反映整組蓄電池的狀態。但是傳感器從檢查池取電工作，將導致檢查池耗費更多的電能，荷電狀態低于非檢查池，隨著時間的積累，荷電狀態的差異越來越大，從而使檢查池失去代表性。通常每三個月對蓄電池組進行一次周期治療，治療后所有電池都處于充滿電的狀態，荷電狀態的差異基本被消除。對傳感器進行低功耗設計，在為期3個月的周期中，減少對檢查池的電能消耗，對提升蓄電池監測裝置的精度有重要意義。

1 蓄電池傳感器的能耗分析

傳感器具有六個功能模塊，分別是電源模塊、電壓測量、密度測量、溫度測量、液位監測和通信模塊。以一款成熟的在線式傳感器為例，對其能耗進行分析。

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

DSP是傳感器的運算與控制核心，由于傳感器的密度測量功能需要運用圖像處理算法分析大量數據，因此選用了具有浮點乘法器的C6000系列DSP[4]。DSP被設定分為高速和長時兩種工作模式，高速模式即進行密度測量工作時，DSP以225 MHz的頻率運行圖像處理算法，考慮電源模塊的效率，產生的功耗約為1200 mW；長時模式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。

密度測量使用的是光學原理，工作方式如下。電源驅動LED發射探測光，光線經過待測電解液，獲取與電解液密度有關的信息，再由CMOS圖像傳感器芯片采集光學影像，SDRAM存儲影像數據，DSP對數據進行分析處理，計算出溶液密度。密度檢測運行時，LED發光功率100 mW，圖像傳感芯片能耗150 mW，存儲器RAM能耗100 mW；密度檢測模塊待機時，LED不發光，圖像傳感芯片休眠功耗近乎為零，RAM休眠能耗小于3 mW。

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

溫度測量采用DS18B20芯片，該芯片技術成熟，運用領域廣泛，功耗小于5 mW[5]。

液位監測用的是光電液位開關，設有2個，分別對液位低于下限和液位高于上限進行報警。每個光電液位開關外有一個光學探頭，內有一對發射、接收二極管，發射管持續發送紅外光。當光學探頭與空氣接觸時，接收管能收到紅外光；而當液體浸沒光學探頭時，紅外光進入液體，接收管無紅外光。根據接收管收到的紅外光能量，就能判斷液位是否達到報警條件。每個液位開關運行功耗75 mW。

通信模塊采用的是CAN總線協議，功能是傳感器接收監控主機的測量指令，反饋各參數測量結果給主機。為防止總線上的電磁噪聲影響傳感器電路，CAN通信模塊需要進行2000 V等級隔離設計，運用逆變器、變壓器、光耦等技術，隔絕電氣干擾。通信模塊運行功耗約200 mW。

將各模塊的功耗匯總，得到表1（電源模塊的損耗已經分攤在各功能模塊中）。傳感器在進行密度測量時功耗約1.91 W，待機或進行其他工作的功耗約1.26 W，其中DSP的能耗占比超過60%。

表1 原傳感器能耗明細

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

一種常見的船舶用鉛酸蓄電池容量約10300安時[6]，蓄電池的平均工作電壓2.1 V，在3個月的電池周期治療間隔期間，傳感器累計消耗1356 AH的電能，占電池總容量的13.2%。因此，蓄電池監測裝置估算蓄電池組荷電狀態，也將產生最大13.2%的系統誤差，誤差在蓄電池組周期治療后消除。

2 低功耗設計方法

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自DSP芯片，減低功耗首先從DSP芯片著手。在進行密度測量時，需要調用DSP的浮點乘法器運行圖像處理算法，因此DSP的功耗不可省略。而傳感器在進行其他參數測量或待機運行時，DSP只是起到控制IO接口和進行少量運算的功能，而功耗仍然達到900 mW。說明在待機時，DSP性能的冗余造成了電力的浪費。由此，我們提出如下設計，使傳感器在進行密度測量時，開啟DSP運算功能；傳感器在進行其它測量工作和待機時，關閉DSP，由低功耗的單片機進行控制和運算。

圖2 對DSP進行能耗管理的傳感器設計

對DSP進行能耗管理后，傳感器的功能框圖如上。用單片機芯片實現對各測量功能的控制，DSP僅用于密度測量。對DSP的電源輸入設置一對基于MOSFET管原理的開關，其通斷狀態由單片機控制。DSP芯片分為的內核和外圍兩部分，內核用于運算，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DSP時，單片機首先打開1.2 V電源的開關，約1 ms后再開通3.3 V電源開關；關閉DSP時，單片機先斷開3.3 V電源，最后切斷1.2 V電源。密度測量模塊的運行/待機狀態改由單片機控制，其圖像數據接口仍與DSP連接。進行密度測量工作時，單片機首先通過電源開關控制DSP啟動，再控制密度測量模塊進入運行，DSP采集圖像數據并計算獲得電解液密度，把密度值傳遞至單片機。與圖1的原傳感器相比，密度測量時還增加了單片機和電源開關的功耗，電源開關選用漏電流極低的TPS27082型號，功耗可忽略，單片機選用工業界常用的LPC系列，功耗約140 mW。待機和進行其它測量時，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，節省84%。

2.2 液位、通信模塊的功耗管理

根據液位監測和通信模塊的原理，接上電源就會按額定功率工作，功耗共350 mW。為降低功耗，采樣和管理DSP功耗同樣的思路，單片機操縱電源開關，只在模塊需要工作時打開電源，工作結束后關閉模塊供電，從根本上消除模塊的待機損耗。

如上圖所示，液位監測模塊的供電是5 V，在其電源輸入線上設置MOSFET管。進行液位監測工作時，單片機開啟液位監測電源，并讀取液位狀態；監測結束后，單片機操作MOSTET管關閉液位監測電源，節省電力。

圖3 低功耗傳感器設計

通信模塊的供電是3.3 V，也在電源線上設置了開關。對在線式傳感器而言，處于待機狀態時要通信模塊保持運作，隨時準備接收上位機的指令。接收指令后進行測量工作時，可以暫時關閉通信功能，測量結束后，需要再打開通信，把結果返回上位機。

2.3 優化傳感器的運行模式

傳感器具有多個功能模塊，為充分發揮其性能，同時減小功耗，需要用單片機軟件控制各功能模塊的開啟/休眠狀態。經過優化設計，傳感器控制軟件分為密度測量、液位監測和待機三種運行模式。

1）密度測量模式

傳感器接收到密度測量指令后，控制電源開關關閉通信模塊和液位監測模塊的電源，開啟DSP芯片電源，喚醒密度測量模塊，進行基于圖像處理的密度測量工作。單片機接收到DSP發送的密度測量結果后，使密度模塊進入休眠，再切斷DSP電源，最后開啟通信模塊電源，把測量結果返回上位機。密度測量運行中的功耗約為1701 mW，見表2。

2）液位監測模式

傳感器接收到液位監測指令后，保持DSP和密度測量模塊關閉，單片機控制開啟液位監測模塊的電源，讀取液位開關的數據，并將結果發送至上位機。由于開啟液位監測電源后1 ms內即可讀取液位監測結果，沒有必要為了節省能耗在如此短暫工作時間內關閉通信模塊電源。液位監測時傳感器的功耗約為504 mW。

3）待機模式

待機模式中，傳感器關閉密度測量和液位監測有關模塊的電源，保持通信模塊運作，以隨時接收上位機的測量指令。前文已分析，電壓測量和溫度測量模塊運行功耗極低，在待機模式中，單片機操作電壓測量和溫度測量模塊持續運行，不斷高速采集電壓和溫度數據，并用算法對數據進行濾波平滑處理，獲得穩定的測量結果。單片機約3秒鐘更新一次溫度、電壓結果，當上位機發來密度和溫度采集指令時，傳感器無需重新測量，直接把存儲的最新結果返回上位機，節省了測量時間。待機模式的功耗為354 mW。

表2 低功耗傳感器的能耗明細

表2對優化后的傳感器功耗進行了統計。相比于原傳感器功耗，密度測量時的功耗降低11%，液位監測時的功耗降低60%，待機模式功耗節省最多，降低了72%。通常地，傳感器超過90%的時間運行在待機模式，因此降低待機模式的功耗最具有實用意義。

2.4 綜合能耗分析

按傳感器每分鐘測量一次密度、六次液位和六次電壓的頻率計算，3個月時間，傳感器累計耗能480 AH，占蓄電池總容量10300 AH[6]的4.7%，導致的蓄電池監測裝置估算SOC系統誤差在5%以內，相比原高功耗傳感器，測量精度顯著提高。

對于大容量的鉛酸蓄電池而言，最常見的工況是浮充和小電流放電，此時密度是緩變量，每30分鐘測一次密度就足以反映蓄電池的荷電狀態。把蓄電池組的充放電電流作為判斷密度采樣頻次的條件，大電流充放電時每分鐘測一次密度，隨著電流減小，采樣頻率逐漸降低至每30分鐘一次。這種動態采樣頻次設計，可以在不影響電池密度測量精度的前提下，減小傳感器能耗，最低至每周期369 AH，占蓄電池總容量的3.6%。

3 驗證情況

為驗證上述降功耗設計方案，制作傳感器樣機，并參與試驗。

3.1 樣機設計與制造

樣機設計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械結構，低功耗電路板的外形尺寸、厚度保持和高功耗電路板一致，通過優化板面布置、增加電路板內部導線層的方法，增加單片機、電源開關等電路。軟件上，DSP保留圖像處理算法，把原傳感器控制電壓、液位、溫度測量和CAN通信模塊的代碼移植到單片機上，增加單片機運行密度測量、液位監測和待機工作模式的代碼。完成樣機改進設計后，委托工廠生產，得到低功耗蓄電池監測傳感器樣機10臺。

3.2 能耗檢驗

對每臺樣機，首先檢驗、確認其各項參數檢測功能正常，再用電流表和電壓表測量其工作功率。10臺樣機測量結果的平均值如下表所示。結果顯示，理論計算功耗和實際測量值之間的誤差在4%以內。

表3 樣機能耗檢驗

3.3 可靠性試驗

傳感器面向的應用場景是蓄電池的免維護自動監測，必須能夠連續運行數月甚至幾年時間。尤其是低功耗的傳感器中，DSP、密度測量模塊、液位監測模塊和通訊模塊會反復經歷斷電、上電過程，其可靠性能否滿足使用要求是改進設計成功與否的關鍵。以傳感器免維護工作時間10000小時作為驗證目標，按照GJB899A標準設計可靠性試驗。

使用10臺樣機同時進行試驗，按照1.1倍的驗證時間計算，總試驗時間為1100小時，試驗所有傳感器不出現任何故障，則認為傳感器可靠工作時間滿足10000小時。試驗中，每個傳感器每8秒進行一次密度測量和一次液位監測，其余時間為待機測量。試驗在三綜合試驗箱中進行，環境溫度覆蓋0℃到55℃，濕度處于65%到95%，每12個小時為1個循環周期，共92個循環。試驗前、試驗中每4小時、試驗后都對傳感器功能進行檢查。

按照上述試驗設計，選擇有資質的第三方試驗機構進行了試驗。試驗運行順利，所有檢測點功能均滿足要求，證明了本低功耗設計傳感器的可靠性達到設計目標。

4 結論

蓄電池監測傳感器的能耗使檢查蓄電池容量低于其它非檢查池，導致監測裝置估算蓄電池組荷電狀態產生偏差。本文分析了傳感器各功能模塊的能耗，對硬件電路和軟件控制進行優化，設計了低功耗版傳感器。通過理論計算和樣機的能耗檢測、可靠性試驗等，驗證了低功耗傳感器性能比原裝置明顯提升，滿足長期準確測量蓄電池組荷電狀態的需求。

[1] 謝煒, 柳彬, 耿攀, 邢賀鵬. 中壓動力蓄電池組監測管理系統的設計[J]. 船電技術, 2011, 31(12): 15-20.

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[4] 劉黨輝, 沈蘭蓀. DSP芯片及其在圖像技術中的應用[J]. 測控技術, 2001, 20(5): 16-23.

[5] 潘勇, 孟慶斌. 基于DS18B20的多點溫度測量系統設計[J]. 電子測量技術, 2008, 31(9): 91-93.

[6] 李紅飛. 蓄電池參數自動檢測系統的研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2007.

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，傳感器技術。E-mail: wiwimou@live.com