新型移動通訊基站蓄電池組管理系統

邱望標， 胡鵬飛， 徐蘇恒

（貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

電訊業的飛速發展，使得更多的移動通訊基站需要穩定和高效的蓄電池管理系統，對其直流后備電源進行管理和維護。與普通以蓄電池作為直流電源的系統不同，移動通訊基站要求更高的可靠性和更低的維修率。最重要的要求是在惡劣的環境下也能正常工作，特別是 08年發生凝凍天氣后，通訊基站蓄電池組的管理和維護工作再次被重視起來。除天氣影響外還有地形因素，中國有廣大的地區是屬于山區，在山區建造移動通訊基站對無人值守和智能管理要求很高。因此研制適合現代移動通訊基站的蓄電池組智能管理系統的意義十分重大。

1 均充方法簡介

目前通訊基站所用直流電源是由多只蓄電池串聯而成的一組蓄電池系統，其所配充電機及電池保護系統只對整組電池進行充電和保護，只能保證在使用過程中整組電池的總電壓值不高于發生過充電的最高電壓值及不低于發生過放電的最低電壓值。但由于單只蓄電池的內阻、自放電、容量等性能的不均勻性，在使用過程中，特別是在極限電壓使用時，個別蓄電池會發生過充電或過放電的情況，時間一長，這些電池就會提前損壞，損壞后的電池又會影響其他蓄電池，從而造成整個蓄電池組的過早損壞。

本系統采用的均充管理方法其實質是使用微控制器根據預先設定的充放電參數順序對蓄電池組中的單只蓄電池的電壓參數進行檢測并充放電。每次微控制器只對一支蓄電池的端電壓參數進行檢測，如果需要充電（低于設定值）則對其進行充電，否則將當前電池斷開，對下一支進行檢測并判斷是否需要充電，重復這一過程直到檢測完全部蓄電池，即完成一個工作循環。同樣，在放電時微處理器也采用同樣的方法進行管理。這種分支分時均勻充放電的方法能保證蓄電池組中單支蓄電池不會發生過充電以及過放電的同時，又能保證整組蓄電不會發生過充電及過放電，從而提高蓄電池組容量的有效利用率及單只蓄電池的使用壽命。

2 蓄電池組充放電管理系統硬件設計

系統以ATmega16L單片機為控制芯片，其豐富的片內資源極大地簡化了外圍電路的設計。該芯片封裝了16 kB的在線可編程（ISP）Flash程序存貯器；共有32個可編程的I/O口；8路10位ADC；1個可編程、增強型全雙工，支持同步/異步通信的串口 USART；芯片還集成了上電復位、欠壓檢測和看門狗電路等等。此外，低耗能也是ATmega16L的一大特點，ATmega16L工作在1 MHz、3 V、25°時的典型功耗僅為1.1 mA[1-2]。

2.1A/D轉換電路

ATmega16L內部集成了一個 8路 10位逐次比較（Successive Approximation）ADC電路，已經達到并超過了本系統 0.05 V的電壓測量精度要求，因此，本系統采用ATmega16L的內置A/D轉換器對蓄電池電壓進行模數轉換。

ADC轉換的參考電源采用芯片內部的2.56 V參考電源，所以必須通過在AREF引腳外部并接一個電容來提高ADC的抗噪性能，并且在AVcc引腳外部并聯一個電容來提高AVcc的穩定性。在本系統中，所有蓄電池的電壓檢測電路都連接到ATmega16L內部的ADC轉換接口PA7（可用PA0-7,本系統用的是PA7）。

2.2 擴展電路與繼電器驅動電路

由于移動基站蓄電池支數較多，為了節省單片機的管腳資源，本系統由ATmega16L的4個I/O口（PC0-3）和兩片74LS154組成管腳擴展。兩片74LS154的作用是將4個I/O口擴展成32個I/O口。根據基站蓄電池的實際支數，本電路只用了其中的24個I/O口。

出于對高集成度和高穩定性的要求，本系統的電子元件盡量使用集成芯片，因此本系統對繼電器的控制不采用三極管加續流二極管的方式，而采用專用的繼電器驅動芯片——ULN2803，直接控制12 V微型繼電器。

2.3 光耦隔離放大電路

為了不將系統中的噪聲引入A/D轉換電路中，必須將噪聲信號與單片機隔離開來。線性模擬光藕HCNR201正好能滿足這一要求，同時在電壓的測量精度上還具有很高的精度。

HCNR201的內部結構如圖 1所示包括一只高性能的AlGaAs型發光二極管(圖1中的LED),兩只極其相似的光電二極管(圖1中的PD1和PD2),當LED中流過電流IF時,其所發出的光會在PD1,PD2中感應出正比于LED發光強度的光電流和，其中,和滿足以下關系：

式中 K1,K2分別為輸入輸出光電二極管的電流傳輸比，其典型值均為0.5%左右。K被定義為傳輸增益，而且是一個固定的值了，HCNR201的K值約為1±0.05。再加上PD1,PD2的安裝位置的精確性以及元件先進的封裝設計保證了 HCNR201的高線性和增益的穩定性。

圖1 HCNR201結構

本系統的光耦隔離放大電路主要由三部分組成。第一部分是精密電阻分壓網絡和第一級運放，其中第一級運放做電壓跟隨器。第二部分是第二級運放它通過HCNR201組成的負反饋網絡。第三部分是第三級運放它將電流轉換成電壓。

以上運放都是選用的高精度運放LMV358。除以上核心功能電路以外，本系統還有電源電路、液晶顯示電路、在線編程（ISP）電路和串行通信（USART）電路等一些功能電路。

光耦隔離后的電壓通過ATmega16L內部ADC轉換后，由LCD1602液晶實時顯示出當前蓄電池的電壓值。該液晶的數據線對應接到 ATmega16L的 PB口，控制端分別接到ATmega16L的 PD4-6。ISP電路采用標準的十芯接口，與ATmega16L的MISO、MOSI、SCK和RESET引腳相接，其余接電源和數字地[2-6]。有了ISP電路就可以方便地對ATmega16L編程，實現在線修改系統程序的功能。USART電路是最常用的串行通訊接口電路，用以實現從 PC機讀取系統數據的功能，還可以配合PC上其他軟件完成更高級的功能。

3 蓄電池組管理系統電路軟件設計

本系統軟件功能分為在線編程（ISP）模塊、循環檢測模塊以及 AD轉換、串行通信（USART）、液晶顯示等幾個部分。由于整個系統的程序流程圖較為復雜，本文將其分為三個部分，如圖2、下頁圖3、下頁圖4所示。

為了實現系統管理不同種類電池充放電的設計要求，在系統程序設計中采用模塊化設計，使得系統關鍵參數（如充放電電壓、AD轉換的線性度、液晶顯示內容與格式等）便于修改和調節。

圖2 充放電功能選擇程序流程

圖3 充電功能程序流程

圖4 放電功能程序流程

本系統軟件關鍵部分為循環檢測和 AD轉換模塊。下面給出相關部分的程序，編譯環境為ICCAVR[7]。

AD初始化函數

本程序由11個函數組成，但是只占用了17%的FLASH程序存貯器，還有足夠的空間用于健壯程序，增強系統。而且程序預留的程序接口也較為豐富，程序留有7個ADC和兩個外部中斷接口的程序函數，可以測量更多參數，如電流、溫度、濕度等等，為今后優化系統和升級系統留有足夠的空間。

4 結語

本系統的成功研制對于提高現代通訊移動基站的蓄電池組的智能管理水平有重要意義。基于本設計的蓄電池組智能管理系統已在貴州省平塘供電局試運行，經過現場調試，試驗性能可靠，較好地實現了預期的設計功能。同時，通過在線編程（ISP）修改軟件中相應的設定值，本系統不僅可以管理不同節數的電池組充放電過程，而且兼容如鉛酸、鎳鉻、鋰離子等不同品種的電池，具有一定的推廣價值。

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