基于單片機控制的供電監測與保護系統設計

張 波

（棗莊科技職業學院，山東棗莊 277000）

0 引言

隨著自動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，其性能有著嚴格的要求。一般地，電源在啟動時往往會出現較大的瞬態電流，這對傳統的鉛酸電源將產生巨大的沖擊[2]。由于部分鉛酸電源的比能量難以滿足大功率條件，長期硬啟動條件下會大大縮短電源壽命，維護費用居高不下，而且電池內重金屬對環境的污染也是難以控制的[3]。因此，傳統的鉛酸電源逐漸被新型節能電源所取代[4]，比如鋰離子電源。但是，鋰離子電源對于工作溫度、充放電狀態的要求相對較高。針對以上問題，文中提出一種單片機控制的供電監測與保護系統，可用于復雜的供電工作環境，通過總體系統的設計以及關鍵硬件的選型提升備用蓄電池電源供電過程的可靠性和安全性。

1 控制系統總體結構

1.1 供電網絡拓撲設計

根據備用電源的供電原理可知，供電網絡的拓撲結構不但影響供電系統的穩定性，而且對供電系統的設計成本、檢測精度、集成度都有著關鍵的影響[5]。目前，用于供電網絡的拓撲方案主要有分布式、集中式和主從式等。

分布式拓撲結構的原理如圖1所示，需要對每塊蓄電池進行檢測，每塊蓄電池均受到獨立檢測電路控制，因此需要多個單體電路板。這些電路板便于接線，承壓范圍較小，檢測精度可靠，可通過總線分布式地將數據端和控制端結合在一起，最終將被測數據輸送至總控制器。該拓撲結構需要多個電路板，因此成本較高，而且在復雜條件下的抗擾性不易控制，電路對總線的載荷偏大，而且接線后的系統占用空間較大。

電池組的集中式拓撲結構僅需要1個或2個電路板即可完成充放電的檢測。該拓撲結構將整個供電系統的控制板集成，在單獨的設備上即可完成全部電源的信號檢測，包括電壓、電流、溫度等，并具備功率均衡和實時通訊功能。集中式拓撲結構對工作條件的要求相對不高，專用的控制芯片一般均可以實現較快的檢測速度，抗干擾能力良好，而且成本較低。但是，由于電池檢測為集中式，對于單一電池的信號反饋精度存在一定的不足，而且信號不易隔離。當單電池數量較多時，控制系統較為復雜，而且受環境影響較大。因此，適用于容量較小而且電池數量較少的供電條件。

圖1 分布式拓撲結構

圖2 主從式拓撲結構

在復雜的條件下，分布式和集中式的電池拓撲結構均不能有效地滿足生產需要。為此，文中采用主從式的電池拓撲管理方式。該拓撲結構如圖2 所示，將多個電池進行模塊化，較少數量的電池組組成從模塊，可獨立完成單個電池的信號檢測。此外，多個從模塊形成串聯網絡，可確保相互之間通訊的可靠性。

主從式拓撲結構具有良好的保護功能，模塊之間接線方便，而且易于后期系統的升級或電池組的擴充。從控制層次方面分析，該拓撲結構在大功率電池組方面的檢測級別更為清晰，系統抗干擾能力強，壽命長。

1.2 系統功能設計

根據供電網絡的拓撲結構，可將總的控制系統進行模塊化[6]，具體分為：總控模塊、監測模塊、均衡模塊、采集模塊、通訊模塊等。這些模塊協同工作，共同實現電池被測信號的采集、發送、反饋、保護和顯示。

（1）總控模塊

總控模塊是整個電池控制系統實現所有功能的關鍵，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：基于總線傳輸對檢測模塊的數據進行轉換和處理；讀取信號并作出預設的反饋，功能芯片的型號為LTC6803-3；對電源的溫度值進行實時分析，進而優化控制電池的充電和放電過程。

（2）監測模塊和均衡模塊

在主從式拓撲結構下，監測模塊主要負責從模塊的電壓監測，所收集的電壓信號數據基于SPI總線傳遞至總控模塊的處理器。當監測模塊周期內反饋的電壓差大于限定值時，需要通過均衡模塊對整個電路進行功率均衡。

（3）采集模塊

采集模塊是決定控制系統精度的關鍵模塊，其主要功能為采集從模塊的電流信號，并通過電路分析確定供電系統是否處于過載狀態，并進行對應的保護操作[7]。從結構方面分析，采集模塊的功能集中在霍爾電流元件的信號采集以及模數轉換。霍爾電流元件貫穿功率信號線，感應后的電壓信號需要通過放大處理才能輸送至控制器。控制器采用單片機，可直接計算出采集的電流值。結合雙量程電流檢測控制電路，采集模塊能夠更精確地獲取充放電狀態。溫度采集對于電池工作的穩定性有著重要的作用，特別是防爆電池。電池的外部結構為塑料材質，因此，需將溫度傳感器設置于電池極耳位置，傳感器型號為DS18B20，基于主從方式，通過總線傳輸到總控模塊，便于后續處理。

（4）通訊模塊

通訊模塊是確保信號實時性的關鍵模塊，在該系統中主要有兩種方式：SPI 通訊和CAN 總線通訊。這兩種通訊方式應用的范圍不同，SPI通訊用于鋰電池的電壓信號和均衡電路信號的傳輸，信號源為LTC6803-3 采集器芯片；CAN 總線通訊主要用于連接總控模塊與數據顯示端（液晶顯示屏），還可以在調試過程中連接調試裝備，利于信號的讀取。SPI通訊和CAN 總線通訊的供電端為獨立設置，通過不共地隔離方法[8]，有效降低干擾性。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊電路

主控模塊是整個電池控制系統的核心，由單片機及外圍電路組成，執行數據收集、處理以及信號反饋。該模塊用于控制電壓監測和功率均衡的電路通過SPI隔離總線連與主控模塊中的單片機連接。采集模塊的被測信號則通過CAN 總線的方式與單片機連接。CAN 總線通訊的芯片為PCA82C250，其作為主要收發器，為控制器和物理總線提供接口。在該系統中，主控模塊所采用的單片機型號為STM32F103RET6，功能強大，可開發性良好，性價比高，屬于高容量型芯片，為32 位處理器，通訊接口多達13個。此外，還具有11個定時器和3個12位的DA轉換器。

2.2 監測模塊電路

監測模塊采用的芯片型號為LTC6803-3，屬于凌力爾特的次代產品，其接線圖如圖3所示。該芯片內部設置有多個接口，能夠一次性測量12 個單電池的信息。此外，基于串行口可實現串聯電池組的監測信號獲取，可與STM32的芯片進行SPI通信，每個芯片之間無需再采用耦合器或者隔離器，降低監測模塊的復雜性和繁瑣性。為避免電池的過充問題，芯片能夠控制電路進行部分放電。在功率均衡方面，監測模塊電路可以實現低功耗。在高集成度條件下，監測模塊仍保持高的監測效率和精度。

圖3 LTC6803-3接線電路

2.3 保護控制電路

圖4 接觸器接線電路

蓄電池組長期工作或者在復雜的環境下時，出現充放電異常的概率會大大增加。當主控模塊發出異常反饋信號時，需要對整個電路進行保護，即通過開關量控制避免電池的過充、過放現象，消除爆炸隱患。在保護控制電路中，采用了接觸器作為保護開關元件，型號為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。由于單片機的直接輸出電流較小，因此需要將其二級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：三級管放大和中間繼電器放大。為便于調試，在三極管放大回路中接入發光二極管，可校驗驅動電路的工作狀態。單片機能夠直接通過放大電路控制接觸器的閉合狀態，實現有效地保護功能。

3 結束語

文中所研究的備用電源供電系統不但比能量較高，而且易于實現智能化控制。在單片機的控制下，電池控制系統的安全性和穩定性更高，在模塊化的設計過程中，便于系統升級與更新。蓄電池控制系統發展迅速，并且逐漸延伸至其他設備的電池系統，可為新能源發展和應用提供一定的支持。