基于5G无线通信的电池状态信息采集系统设计

张创奥，吴晖，李云鹏，王黎明，黄泽民

（国网浙江省电力有限公司乐清市供电公司，浙江 乐青 325600）

0 引言

在高速发展的现代社会，供电质量的好坏将影响社会经济的发展。现有的电网供电大多十分稳定，一般来说，只有在进行线路检修时才会停电。在电网供电中，一般会采用蓄电池组作为停电时的应急电源。但是，由于蓄电池组的运行状态受到多种因素的影响，容易出现蓄能不足的情况。如果蓄电池的运行状态欠佳，将会因为蓄电池故障导致在需要使用时不能启动发电机，影响供电质量[1]。

当前，我国的变电站大多无人值守，如果用传统的方式来维护变电站，必然会增加人力成本。另外，蓄电池完成一次充放电循环将耗费30个小时，如果依靠人工监测，不仅耗费大量的人力成本，而且监测效率、监测准确度也较低。本系统主要是采集蓄电池的电压、电流、温度和剩余电量等信息，从而了解蓄电池的电流、电压、温度、剩余电量等运行参数，并且对可能出现的故障进行预判及预警。

1 系统总体设计

本系统总体设计结构框图如图1所示，本系统所采集的信号包括电压采集信号、电流采集信号和温度采集信号，其中，电压采集信号和电流采集信号是由芯片DS2438采集，温度采集信号是由AT89S52单片机采集。将采集到的电压信号、电流信号和温度信号输给单片机。最后，由5G通信模块将所采集到的电压、电流和温度传输给终端机，在人机交互界面上显示监测结果。

图1 总体设计结构框图

2 系统硬件设计

2.1 处理器选择

Atmel公司生产AT89S52单片机有8位CPU，256字节RAM，自带8K编程，Flash存储器，功能十分强大，已经广泛应用于工业领域。本设计采用AT89S52单片机作为控制器，能够为系统提供多样化的解决方案，为本系统各项功能的顺利开展提供可行方案。

2.2 电流电压信号采集单元设计

美国DALLAS半导体公司生产的DS2438智能电池监测芯片具有极高的稳定性，并且支持1-Wire单总线的通信方式。本系统采用DS2438智能电池监测芯片来监测蓄电池的电压和电流，接线方式如图2所示。将DS2438芯片的DQ和单片机AT89S52的I/O物理连接，就可以实现电流和电压数据的传输，实现电流和电压采集需求。

图2 DS2438 芯片与单片机的连线图

2.2.1 电流信号采集单元设计

DS2438芯片采用SOIC方式封装，允许通过的最大电流为毫安级。如果直接用于采集DS2438芯片进行数据采集，显然容易过流，破坏系统的稳定性。智能电池监测芯片采用SOIC方式封装，可测电流范围一般为毫安级。但是，变电站的蓄电池组电流可以达到10安培，如果直接采用DS2438智能电池监测芯片监测，必然会出现电流过大的情况。因此，本系统通过调节电阻的方式来转化电流，让转化后的电流范围减少到毫安级。经过实验得知，本系统采用闭环电流霍尔传感器实现电流的转换，具体的转换公式为：

蓄电池的测量电流与删除测量电流之间的关系为：

其中，IBAT表示蓄电池电流，ISENS表示删除蓄电池电流，K表示闭坏电流霍尔传感器的比例系数。

电流信号采集的接线方式为：将芯片DS2438的引脚VSENS+和VSENS-与闭环电流霍尔传感器的RSENS两端相连。用电容Cf和电阻R构成RC低通滤波器，该RC低通滤波器的频率为15.9Hz。由于RC低通滤波器能够有效消除电流尖峰对采集电路的影响，因而，测量精度更高。

2.2.2 电压信号采集单元设计

通常情况下，需要两个选通信号来采集单个蓄电池的电压，如果蓄电池组的串联单体越多，光耦开发的数量就会增加，在测量准确度、测量精度等方面将会受到较大影响。本系统采用Altera公司生产的EPM7064可编程逻辑控制器来控制光耦，减少光耦对电压测量结果的影响。

2.3 蓄电池剩余容量采集单元设计

蓄电池的标称容量受到多个因素的影响，并且会随着环境变化而波动，并不是一个定值。所以，在实践中，大多采用蓄电池的实际容量来计算剩余容量。剩余容量的计算公式为：

其中，ICA是直流过蓄电池寄存器的电流。

2.4 蓄电池温度信号采集单元设计

美国Dallas公司生产的数字温度传感器DS18B20是以“一线总线”的方式采集和传输温度。该数字传感器无需额外的A/D转换器，可以直接将采集到的温度传输给CPU，具有极强的敏感度和抗干扰能力。本系统采用数字温度传感器DS18B20采集温度信号，接线方式如图3所示。将温度传感器DS18B20的DQ端与单片机的I/O端相连，VDD接+5V电压，GND接地。

图3 DS18B20 测温电路

2.5 通信单元电路设计

本系统采用5G通信，主控制器的I/O接口分别与5G通信模块的TX与RX连接，能够与5G模块实现同频率双向信号传输。通信模块采用WH-LTE-7S4V2芯片作为控制器，该芯片具有极强的适应性，能够在移动、联通、电信等任何一种5G网络制式下实现数据的通信和传递。通信单元支持Socket连接，能够为网页数据的更新提供数据，便于用户实时通过网页来查看电池信息。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

本系统采用DS2438芯片作为主控器，对蓄电池的电压、电流、温度等运行参进行监控，从而实现无人值守的蓄电池监测。根据实践需要系统主程序如图4所示。系统初始化完成以后，控制器将会根据实际情况判断是否启动中断程序。如果关闭中断程序，系统继续运行主程序及其他功能模块，等待信号接收和发出。如果定时中断，智能电池采集芯片DS2438将采集到的信号进行数据处理，处理完成以后定时器复位，等待信号接收和发出[3]。

图4 系统框图

3.2 后端软件设计

本设计的后端软件主要包括电流电压采集模块的程序设计、剩余电量采集模块的程序设计、温度采集模块的程序设计和通信模块的程序设计。

电压采集模块的程序设计思路如下：电压传感器采集到电压数据，通过DS2438芯片转化为电压指令。ROM将会根据电压指令去配置/控制寄存器数据，并将SRAM00页数据存放暂存器，用户就可以查询到电压值。

剩余电量采集模块的数据并非直接读出，而是通过计算得出。具体的计算方法为：控制器自动读取电流累加器ICA寄存器的值，然后，按照公式来计算蓄电池所剩电量。

温度采集模块是指温度传感器采集到数据以后，通过1-Wire总线进行数据传输。本系统尚未涉及较为复杂的温度采集，因而，仅用1片DS18B20芯片就可以完成操作。具体来说，通过转换温度命令（44H），读暂存器命令（BEH）等命令就可以实现温度数据通信与传输。值得注意的是，在温度数据传输过程中，该线路不能传输任何其他数据。如果需要传输其他数据，启动中断程序，传输完毕后，通过复位脉冲就可以发起温度数据传输。

在蓄电池实体设置了多个温度信息采集点，单片机将各温度点实时数据采集以后封装成帧。单片机发起定时传输功能，并且通过5G串口通信将数据传输到服务器端，服务器端接受到相关数据时通过人机交互界面呈现给用户。

4 结语

本文提出的基于5G无线通信的蓄电池状态信息采集系统能够实现电流监测、电压监测、剩余电量监测和温度监测，满足对电池信息的实时监测。随着应用的不断深入，后续还可以增加蓄电池状态采集参数来监控蓄电池，实现规模化储能无线数据远传，解决现有蓄电池监控系统存在的不足。