新型移动通讯基站蓄电池组管理系统

邱望标， 胡鹏飞， 徐苏恒

（贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550003）

0 引言

电讯业的飞速发展，使得更多的移动通讯基站需要稳定和高效的蓄电池管理系统，对其直流后备电源进行管理和维护。与普通以蓄电池作为直流电源的系统不同，移动通讯基站要求更高的可靠性和更低的维修率。最重要的要求是在恶劣的环境下也能正常工作，特别是 08年发生凝冻天气后，通讯基站蓄电池组的管理和维护工作再次被重视起来。除天气影响外还有地形因素，中国有广大的地区是属于山区，在山区建造移动通讯基站对无人值守和智能管理要求很高。因此研制适合现代移动通讯基站的蓄电池组智能管理系统的意义十分重大。

1 均充方法简介

目前通讯基站所用直流电源是由多只蓄电池串联而成的一组蓄电池系统，其所配充电机及电池保护系统只对整组电池进行充电和保护，只能保证在使用过程中整组电池的总电压值不高于发生过充电的最高电压值及不低于发生过放电的最低电压值。但由于单只蓄电池的内阻、自放电、容量等性能的不均匀性，在使用过程中，特别是在极限电压使用时，个别蓄电池会发生过充电或过放电的情况，时间一长，这些电池就会提前损坏，损坏后的电池又会影响其他蓄电池，从而造成整个蓄电池组的过早损坏。

本系统采用的均充管理方法其实质是使用微控制器根据预先设定的充放电参数顺序对蓄电池组中的单只蓄电池的电压参数进行检测并充放电。每次微控制器只对一支蓄电池的端电压参数进行检测，如果需要充电（低于设定值）则对其进行充电，否则将当前电池断开，对下一支进行检测并判断是否需要充电，重复这一过程直到检测完全部蓄电池，即完成一个工作循环。同样，在放电时微处理器也采用同样的方法进行管理。这种分支分时均匀充放电的方法能保证蓄电池组中单支蓄电池不会发生过充电以及过放电的同时，又能保证整组蓄电不会发生过充电及过放电，从而提高蓄电池组容量的有效利用率及单只蓄电池的使用寿命。

2 蓄电池组充放电管理系统硬件设计

系统以ATmega16L单片机为控制芯片，其丰富的片内资源极大地简化了外围电路的设计。该芯片封装了16 kB的在线可编程（ISP）Flash程序存贮器；共有32个可编程的I/O口；8路10位ADC；1个可编程、增强型全双工，支持同步/异步通信的串口 USART；芯片还集成了上电复位、欠压检测和看门狗电路等等。此外，低耗能也是ATmega16L的一大特点，ATmega16L工作在1 MHz、3 V、25°时的典型功耗仅为1.1 mA[1-2]。

2.1A/D转换电路

ATmega16L内部集成了一个 8路 10位逐次比较（Successive Approximation）ADC电路，已经达到并超过了本系统 0.05 V的电压测量精度要求，因此，本系统采用ATmega16L的内置A/D转换器对蓄电池电压进行模数转换。

ADC转换的参考电源采用芯片内部的2.56 V参考电源，所以必须通过在AREF引脚外部并接一个电容来提高ADC的抗噪性能，并且在AVcc引脚外部并联一个电容来提高AVcc的稳定性。在本系统中，所有蓄电池的电压检测电路都连接到ATmega16L内部的ADC转换接口PA7（可用PA0-7,本系统用的是PA7）。

2.2 扩展电路与继电器驱动电路

由于移动基站蓄电池支数较多，为了节省单片机的管脚资源，本系统由ATmega16L的4个I/O口（PC0-3）和两片74LS154组成管脚扩展。两片74LS154的作用是将4个I/O口扩展成32个I/O口。根据基站蓄电池的实际支数，本电路只用了其中的24个I/O口。

出于对高集成度和高稳定性的要求，本系统的电子元件尽量使用集成芯片，因此本系统对继电器的控制不采用三极管加续流二极管的方式，而采用专用的继电器驱动芯片——ULN2803，直接控制12 V微型继电器。

2.3 光耦隔离放大电路

为了不将系统中的噪声引入A/D转换电路中，必须将噪声信号与单片机隔离开来。线性模拟光藕HCNR201正好能满足这一要求，同时在电压的测量精度上还具有很高的精度。

HCNR201的内部结构如图 1所示包括一只高性能的AlGaAs型发光二极管(图1中的LED),两只极其相似的光电二极管(图1中的PD1和PD2),当LED中流过电流IF时,其所发出的光会在PD1,PD2中感应出正比于LED发光强度的光电流和，其中,和满足以下关系：

式中 K1,K2分别为输入输出光电二极管的电流传输比，其典型值均为0.5%左右。K被定义为传输增益，而且是一个固定的值了，HCNR201的K值约为1±0.05。再加上PD1,PD2的安装位置的精确性以及元件先进的封装设计保证了 HCNR201的高线性和增益的稳定性。

图1 HCNR201结构

本系统的光耦隔离放大电路主要由三部分组成。第一部分是精密电阻分压网络和第一级运放，其中第一级运放做电压跟随器。第二部分是第二级运放它通过HCNR201组成的负反馈网络。第三部分是第三级运放它将电流转换成电压。

以上运放都是选用的高精度运放LMV358。除以上核心功能电路以外，本系统还有电源电路、液晶显示电路、在线编程（ISP）电路和串行通信（USART）电路等一些功能电路。

光耦隔离后的电压通过ATmega16L内部ADC转换后，由LCD1602液晶实时显示出当前蓄电池的电压值。该液晶的数据线对应接到 ATmega16L的 PB口，控制端分别接到ATmega16L的 PD4-6。ISP电路采用标准的十芯接口，与ATmega16L的MISO、MOSI、SCK和RESET引脚相接，其余接电源和数字地[2-6]。有了ISP电路就可以方便地对ATmega16L编程，实现在线修改系统程序的功能。USART电路是最常用的串行通讯接口电路，用以实现从 PC机读取系统数据的功能，还可以配合PC上其他软件完成更高级的功能。

3 蓄电池组管理系统电路软件设计

本系统软件功能分为在线编程（ISP）模块、循环检测模块以及 AD转换、串行通信（USART）、液晶显示等几个部分。由于整个系统的程序流程图较为复杂，本文将其分为三个部分，如图2、下页图3、下页图4所示。

为了实现系统管理不同种类电池充放电的设计要求，在系统程序设计中采用模块化设计，使得系统关键参数（如充放电电压、AD转换的线性度、液晶显示内容与格式等）便于修改和调节。

图2 充放电功能选择程序流程

图3 充电功能程序流程

图4 放电功能程序流程

本系统软件关键部分为循环检测和 AD转换模块。下面给出相关部分的程序，编译环境为ICCAVR[7]。

AD初始化函数

本程序由11个函数组成，但是只占用了17%的FLASH程序存贮器，还有足够的空间用于健壮程序，增强系统。而且程序预留的程序接口也较为丰富，程序留有7个ADC和两个外部中断接口的程序函数，可以测量更多参数，如电流、温度、湿度等等，为今后优化系统和升级系统留有足够的空间。

4 结语

本系统的成功研制对于提高现代通讯移动基站的蓄电池组的智能管理水平有重要意义。基于本设计的蓄电池组智能管理系统已在贵州省平塘供电局试运行，经过现场调试，试验性能可靠，较好地实现了预期的设计功能。同时，通过在线编程（ISP）修改软件中相应的设定值，本系统不仅可以管理不同节数的电池组充放电过程，而且兼容如铅酸、镍铬、锂离子等不同品种的电池，具有一定的推广价值。

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