海洋探測機器人蓄電池狀態監測系統設計與研究

孫曉輝

(煙臺汽車工程職業學院，山東 煙臺 265500)

海洋探測機器人是水下救援與資源開發最重要的工程裝備之一[1]，可實現救助打撈、近海搜索、船體檢修、能源勘探、管道維護等任務[2]。海洋探測機器人依靠水下推進器運動，可根據要求裝載觀測設備(攝像機、照相機、照明燈等)和作業設備(機械手、切割器、清洗器等)，而這些設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]。國內外學者對蓄電池管理系統展開深入研究，具有代表性的有德國的Mentzer Electronic GmbH開發出BADICHEQ系統[5]，其具有非常高的放電電流控制精度；北京交通大學與惠州億能電子合作開發了BMS系統[6]，首次應用到新能源汽車中；陳潔等[6]基于可編程邏輯門陣列實現了海洋電源的遠程供電和管理，可完成運行狀態的實時監控。

在海洋科技與裝備行業，蓄電池技術的發展速度仍落后于設備的發展需求，設計并應用先進、合理的電池管理系統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。通過硬件及維護電路的設計，可實現充、放電過程的實時監測，有效地避免過充、過放和過溫對電池穩定性及壽命的影響。該系統滿足海洋安全標準，具有較高的應用價值，可實現良好的經濟效益和社會效益。

1 系統總體設計方案

1.1 功能設計

根據海洋航行器的能源發展現狀，結合探測功能的基本要求[7]，優先將安全性能較高的磷酸鋰鐵蓄電池作為系統供電電源，其功能參數應滿足以下基本要求：

(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下，表面溫度不得超過60 ℃；

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

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

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

海洋探測機器人蓄電池狀態監測系統保護模塊的工作流程如圖1所示，可以看出，除了要求實現較高的監測精度和實時性，還應具備多種類型的保護性能。根據海洋環境及工作條件，確定該系統的主要功能有：

(1)實現任意單電池的動態電壓值監測，誤差低于0.5%；單電池的表面溫度監測，偏差低于±2 ℃；電池組的電流監測，誤差低于2%；電池組的電壓監測，誤差低于0.5%；電池組的容量監測，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 拓撲結構

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量較多，因此需要根據系統的基本功能選取最合理的電池組拓撲結構，否則將嚴重影響供電系統的穩定性以及設計成本。目前，在蓄電池控制領域內應用最廣泛的拓撲結構主要有分布式、集中式和主從式3種。

分布式拓撲結構要求每塊單電池均連接獨立的數據采集模塊，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。該類型的拓撲結構精度較高，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。集中式拓撲結構僅采用一塊電路板進行電池參數信息的監測和處理，具有集成度高，數據實時性好等優點，但是對于較多數量的單電池，電路板的復雜程度會急劇增大，不易加工。主從式拓撲結構對電池組進行了二次劃分，將特定數量的單電池作為局部控制對象，采用主從形式實現信號的通信，該拓撲結構可擴展性好，抗干擾能力強，但是成本較高，適用于較多數量電池的管理系統。

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12個電池組。因此，優先選用主從式拓撲結構，總額定容量可達到600 Ah。

1.3 模塊化設計

為了更好地實現功能設計，對海洋探測機器人蓄電池狀態監測系統進行模塊劃分，包括單電池電壓監測模塊、電流監測模塊、均衡模塊、溫度監測模塊、通信模塊、主控模塊等。其中，主控模塊是蓄電池管理系統的核心部分，可實現各個模塊之間的通信和采集數據的處理；單電池電壓監測模塊采用了專用芯片進行信號采集，可通過SPI總線[9]與主控模塊交換數據；溫度監測模塊主要基于DS18B20溫度傳感器對電池極耳的溫度進行監測(圖2)，通過CAN總線[10]與總控模塊連接；電流監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 主要硬件及電路設計

2.1 主控模塊

從本質上講，主控模塊是指維持單片機正常運行的微系統，包括控制器元件、接線電路等。主控模塊在常規復位電路的基礎上增設了串行口，可實現程序的上傳及半自動調試。電池充放電管理系統的主控制器選用STM32系列單片機，芯片的型號為F103RET6，具有性價比高、可開發和擴展性好等優點，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，模數轉換器共計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。控制電路各芯片的額定電壓為3.3 V；SPI總線共計4根，可實現與電壓監測模塊、均衡模塊之間的數據通信；用于電流監測的線路有3條，均與控制器的模數接口相連接；溫度監測模塊與單片機有1條電路連接；開關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 單電池電壓監測模塊

系統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，避免監測數據的相互干擾。單電池串聯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內未收到持續的信號或指令，對應單片機的引腳將切換至低電平，同時配置寄存器位將被復位至系統默認的上電狀態，芯片保持低功耗的待機狀態。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出，發光二極管可標記芯片的工作狀態。

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。為確保通信的可靠性，外圍電路中增加兩個Si8441四通道數字隔離芯片[12]，每個芯片可提供4個通道的電信號隔離，具有低功耗、信號轉換效率高等優點。Si8441隔離芯片在電池電壓信號的數字化通信方面表現出良好的穩定性，取消了光電耦合器[13]的接入，有效地簡化了單電池電壓監測模塊外圍電路的總體結構。

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系，如圖5所示。可以看出8塊單電池串聯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，將導致電壓監測模塊中斷運行，甚至造成不可逆的損壞。因此，需要針對蓄電池的參數偏差增設均衡模塊，防止充放電時的電流過大。

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

針對海洋石油安全標準，設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。系統的電壓均衡電路如圖6所示，可以看出，當均衡模塊工作時，MOS開關將切換至閉合狀態，電池將以電阻發熱和散熱的形式消耗一定的功率，實現電壓的均衡效果。均衡模塊中的開關量元件選用FDS4465，其最低柵極驅動電壓值為1.8 V，可實現最高13.5 A的漏極電流，開關量切換效率高，可靠性好。均衡模塊采用的發熱電阻為5 Ω，均衡功率可達到1.8 W，均衡效果顯著。此外，均衡電路中設有穩壓管和發光二極管，用于保護和警示芯片狀態。

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

3 硬件調試與優化

3.1 硬件結構改進

根據各個模塊的功能以及邏輯關系，將硬件及相關電路進行組合與調試。調試結果表明，系統的數據通信穩定，實時性好，電壓、電流以及溫度等數據均顯示正常。但是，主從式拓撲結構下的電路板總體面積仍過大，驅動電路的散熱不足，需要對電路板進行二次優化。

針對系統調試出現的問題，執行如下改進措施：(1)將初始設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單電池參數監測、電壓均衡處理等功能，中間電路板實現核心控制、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構，并將隔離電源接入中間層的電路板，抑制功率線的發熱作用。

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，并增加三端穩壓集成電路[14]。該方案可在5 V以內的壓降條件下保持單片機和通信模塊芯片的穩定運行。

3.2 測試效果分析

硬件結構改進后，可再次校驗系統的功能及效果。為降低隨機因素對系統可靠性的影響，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電池各種參數的實時監測和顯示。這4組電池組的管理系統均工作正常，而且散熱性能良好。

基于蓄電池充放電管理系統的單電池電壓監測模塊，可得出8塊單電池(Bat.1～Bat.8)的瞬態電壓波動，結果如圖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，該系統的監測精度非常高，完全滿足海洋設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定性的要求越來越高，因此，進一步提升蓄電池管理系統的安全性和遠程操作性是當前重要的研究和發展方向。本文針對海洋探測機器人蓄電池充放電過程中容易出現的故障誘因，對蓄電池的狀態檢測系統進行了設計與研究，并得出結論：

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

(2)基于STM32 F103RET6單片機控制的蓄電池管理系統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計要求。