基于单片机控制的供电监测与保护系统设计

张 波

（枣庄科技职业学院，山东枣庄 277000）

0 引言

随着自动化供电的推广与普及，安全性和智能性逐渐深入人心[1]。备用电源作为紧急供电的核心组成部分，其性能有着严格的要求。一般地，电源在启动时往往会出现较大的瞬态电流，这对传统的铅酸电源将产生巨大的冲击[2]。由于部分铅酸电源的比能量难以满足大功率条件，长期硬启动条件下会大大缩短电源寿命，维护费用居高不下，而且电池内重金属对环境的污染也是难以控制的[3]。因此，传统的铅酸电源逐渐被新型节能电源所取代[4]，比如锂离子电源。但是，锂离子电源对于工作温度、充放电状态的要求相对较高。针对以上问题，文中提出一种单片机控制的供电监测与保护系统，可用于复杂的供电工作环境，通过总体系统的设计以及关键硬件的选型提升备用蓄电池电源供电过程的可靠性和安全性。

1 控制系统总体结构

1.1 供电网络拓扑设计

根据备用电源的供电原理可知，供电网络的拓扑结构不但影响供电系统的稳定性，而且对供电系统的设计成本、检测精度、集成度都有着关键的影响[5]。目前，用于供电网络的拓扑方案主要有分布式、集中式和主从式等。

分布式拓扑结构的原理如图1所示，需要对每块蓄电池进行检测，每块蓄电池均受到独立检测电路控制，因此需要多个单体电路板。这些电路板便于接线，承压范围较小，检测精度可靠，可通过总线分布式地将数据端和控制端结合在一起，最终将被测数据输送至总控制器。该拓扑结构需要多个电路板，因此成本较高，而且在复杂条件下的抗扰性不易控制，电路对总线的载荷偏大，而且接线后的系统占用空间较大。

电池组的集中式拓扑结构仅需要1个或2个电路板即可完成充放电的检测。该拓扑结构将整个供电系统的控制板集成，在单独的设备上即可完成全部电源的信号检测，包括电压、电流、温度等，并具备功率均衡和实时通讯功能。集中式拓扑结构对工作条件的要求相对不高，专用的控制芯片一般均可以实现较快的检测速度，抗干扰能力良好，而且成本较低。但是，由于电池检测为集中式，对于单一电池的信号反馈精度存在一定的不足，而且信号不易隔离。当单电池数量较多时，控制系统较为复杂，而且受环境影响较大。因此，适用于容量较小而且电池数量较少的供电条件。

图1 分布式拓扑结构

图2 主从式拓扑结构

在复杂的条件下，分布式和集中式的电池拓扑结构均不能有效地满足生产需要。为此，文中采用主从式的电池拓扑管理方式。该拓扑结构如图2 所示，将多个电池进行模块化，较少数量的电池组组成从模块，可独立完成单个电池的信号检测。此外，多个从模块形成串联网络，可确保相互之间通讯的可靠性。

主从式拓扑结构具有良好的保护功能，模块之间接线方便，而且易于后期系统的升级或电池组的扩充。从控制层次方面分析，该拓扑结构在大功率电池组方面的检测级别更为清晰，系统抗干扰能力强，寿命长。

1.2 系统功能设计

根据供电网络的拓扑结构，可将总的控制系统进行模块化[6]，具体分为：总控模块、监测模块、均衡模块、采集模块、通讯模块等。这些模块协同工作，共同实现电池被测信号的采集、发送、反馈、保护和显示。

（1）总控模块

总控模块是整个电池控制系统实现所有功能的关键，受控的传感器包括霍尔电流传感器、温度传感器、烟雾传感器等，具体功能有：基于总线传输对检测模块的数据进行转换和处理；读取信号并作出预设的反馈，功能芯片的型号为LTC6803-3；对电源的温度值进行实时分析，进而优化控制电池的充电和放电过程。

（2）监测模块和均衡模块

在主从式拓扑结构下，监测模块主要负责从模块的电压监测，所收集的电压信号数据基于SPI总线传递至总控模块的处理器。当监测模块周期内反馈的电压差大于限定值时，需要通过均衡模块对整个电路进行功率均衡。

（3）采集模块

采集模块是决定控制系统精度的关键模块，其主要功能为采集从模块的电流信号，并通过电路分析确定供电系统是否处于过载状态，并进行对应的保护操作[7]。从结构方面分析，采集模块的功能集中在霍尔电流元件的信号采集以及模数转换。霍尔电流元件贯穿功率信号线，感应后的电压信号需要通过放大处理才能输送至控制器。控制器采用单片机，可直接计算出采集的电流值。结合双量程电流检测控制电路，采集模块能够更精确地获取充放电状态。温度采集对于电池工作的稳定性有着重要的作用，特别是防爆电池。电池的外部结构为塑料材质，因此，需将温度传感器设置于电池极耳位置，传感器型号为DS18B20，基于主从方式，通过总线传输到总控模块，便于后续处理。

（4）通讯模块

通讯模块是确保信号实时性的关键模块，在该系统中主要有两种方式：SPI 通讯和CAN 总线通讯。这两种通讯方式应用的范围不同，SPI通讯用于锂电池的电压信号和均衡电路信号的传输，信号源为LTC6803-3 采集器芯片；CAN 总线通讯主要用于连接总控模块与数据显示端（液晶显示屏），还可以在调试过程中连接调试装备，利于信号的读取。SPI通讯和CAN 总线通讯的供电端为独立设置，通过不共地隔离方法[8]，有效降低干扰性。

2 系统硬件设计

2.1 主控模块电路

主控模块是整个电池控制系统的核心，由单片机及外围电路组成，执行数据收集、处理以及信号反馈。该模块用于控制电压监测和功率均衡的电路通过SPI隔离总线连与主控模块中的单片机连接。采集模块的被测信号则通过CAN 总线的方式与单片机连接。CAN 总线通讯的芯片为PCA82C250，其作为主要收发器，为控制器和物理总线提供接口。在该系统中，主控模块所采用的单片机型号为STM32F103RET6，功能强大，可开发性良好，性价比高，属于高容量型芯片，为32 位处理器，通讯接口多达13个。此外，还具有11个定时器和3个12位的DA转换器。

2.2 监测模块电路

监测模块采用的芯片型号为LTC6803-3，属于凌力尔特的次代产品，其接线图如图3所示。该芯片内部设置有多个接口，能够一次性测量12 个单电池的信息。此外，基于串行口可实现串联电池组的监测信号获取，可与STM32的芯片进行SPI通信，每个芯片之间无需再采用耦合器或者隔离器，降低监测模块的复杂性和繁琐性。为避免电池的过充问题，芯片能够控制电路进行部分放电。在功率均衡方面，监测模块电路可以实现低功耗。在高集成度条件下，监测模块仍保持高的监测效率和精度。

图3 LTC6803-3接线电路

2.3 保护控制电路

图4 接触器接线电路

蓄电池组长期工作或者在复杂的环境下时，出现充放电异常的概率会大大增加。当主控模块发出异常反馈信号时，需要对整个电路进行保护，即通过开关量控制避免电池的过充、过放现象，消除爆炸隐患。在保护控制电路中，采用了接触器作为保护开关元件，型号为MZJ400A/006，其接线图如图4所示。该接触器可承受的最大电流为400 A，工作电压值为48 V。由于单片机的直接输出电流较小，因此需要将其二级放大后才能够接入接触器。在放大电路中，放大处理有两部分：三级管放大和中间继电器放大。为便于调试，在三极管放大回路中接入发光二极管，可校验驱动电路的工作状态。单片机能够直接通过放大电路控制接触器的闭合状态，实现有效地保护功能。

3 结束语

文中所研究的备用电源供电系统不但比能量较高，而且易于实现智能化控制。在单片机的控制下，电池控制系统的安全性和稳定性更高，在模块化的设计过程中，便于系统升级与更新。蓄电池控制系统发展迅速，并且逐渐延伸至其他设备的电池系统，可为新能源发展和应用提供一定的支持。