礦用救生艙蓄電池剩余電量測試系統設計

苗長新，李璇，馮學俊

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221008)

礦用救生艙蓄電池剩余電量測試系統設計

苗長新，李璇，馮學俊

(中國礦業大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州221008)

基于DSP技術對救生艙蓄電池剩余電量測試系統進行了設計，該測試系統分別采集了電池電壓、電流和溫度信號，并經信號處理后傳送至DSP28335，進行了電池剩余電量的估算，繼而將相關信息傳送至上位機，最終實現了救生艙蓄電池剩余電量的實時在線測量和管理。

救生艙；蓄電池剩余電量；測試系統

礦難發生時由于井下電網受損，救生艙的外部電源無法正常供電，此時為保證救生艙能夠繼續正常工作，救生艙中必須有充足的后備電源，根據國家相關標準，該后備動力系統在外部電源斷開時，必須保證額定供電時間不低于96 h。然而井下救生艙蓄電池的剩余電量不可直接測量，只能通過與另外一些可測參數之間的非線性的函數關系進行預測，這些參數主要包括電池端電壓、放電電流和電池的溫度。預測復雜度相對較高，測量結果存在較大誤差，因此設計一套行之有效、測量精確的測試系統對救生艙蓄電池的研究具有重大意義[1－2]。

1 系統的總體架構

本文在設計艙用蓄電池測試系統時采用了模塊化的思想，主要包括主控模塊、AD采樣模塊、上位機通訊模塊、CAN總線模塊，如圖1所示。其中，AD采樣模塊包括電壓采集部分、電流采集部分和溫度采集部分，為了保證采樣可調，可在主控模塊中設置采樣頻率。

主控模塊的功能主要是DSP來實現的，本文選用德州儀器(TI)生產TMS320F28335型數字信號處理器。相比其它款的定點DSP處理器，TMS320F28335是一款浮點型芯片，而且其性能更可靠，擁有功耗低、精度高、處理速度快、數據存儲量大、模塊獨立性好的優點。

圖1 系統的總體架構

2 數據采集模塊的設計

2.1 電壓檢測設計

艙用蓄電池組由20節1.2 V/30 Ah氫鎳電池單體串聯而成，根據救生艙所需的安時總數，共需這種規格的電池組8組。其中單體電池的電壓幅度為2～3 V，在救生艙中單體電池采用串聯的方式連成電池組，彼此均不接地。本文中單體電池電壓經過高速線性光耦隔離后，輸入到運算放大器TL082中，經過一系列的電壓變換，調整到可供DSP28335接收的電壓信號范圍(0～3.3 V)。圖2給出了單體電池的電壓檢測電路圖。

本系統包含8個電池組，需要采集到的電壓信息較多，而芯片DSP28335中含有內置的A/D轉換模塊，因此，本文設置較大的采樣頻率，以順序采樣的方式將8路電壓信號轉換并送入主控芯片緩沖區。

圖2 電壓檢測電路

2.2 電流檢測設計

電流是判斷電池容量的重要參量，電池SOC的估算是以對電流積分為基礎的，因此它的測量精度對估算電池SOC影響很大[3]。在對電池組充放電電流進行采樣時，傳感器必須具備響應時間快、低溫漂、精度高、頻帶寬、抗干擾能力強、過載能力強的特點，而霍爾電流傳感器是一個很好的選擇。本文采用CHB-100SF霍爾電流傳感器對電池充放電電流進行采樣，其電路如圖3所示。

圖3 電流采集電路

2.3 溫度檢測設計

2.3 溫度檢測設計

在救生艙中電池組不停充放電的過程中會產生較多的熱量，如果不及時反饋溫度信息并加以處理，就會影響電池的壽命及充放電效率，甚至會導致電池損壞或爆炸。本文設計了單體電池溫度檢測電路，其中單體電池溫度檢測采用美國NS公司生產的精密集成電路溫度傳感器LM 35，在攝氏溫度下直接校準，其輸出電壓與攝氏溫標呈線性關系，靈敏度為10.0 mV/℃，精度為0.4～0.8℃，溫度范圍為－55～150℃。

實際使用中，將塑封的傳感器平面用環氧樹脂粘貼在電池表面，以提高準確度。為了使主控芯片DSP28335輸入模擬電壓范圍為(0～3.3 V)，本文控制器中加入了一個減法器電路，以防止溫度低于0℃時產生負電壓。環境溫度檢測電路如圖4所示[4－5]。

圖4 溫度檢測電路

3 CAN總線接口設計

電池電量估計系統與中央控制系統的通信是通過CAN通信來實現的。本文設計的控制器中含有CAN通信模塊，它將不同的控制器連接起來，實時動態地將電池信息傳輸至救生艙中央通訊網絡，實現信息可靠共享。在本文中，CAN模塊是DSP28335內部自帶的，圖5給出了CAN總線通訊接口電路設計圖。

圖5 通訊接口電路設計

PCA82C250是CAN總線驅動器，有差分發送和接收功能，在復雜環境下，CAN節點會受到一些干擾，所以，本文的CAN總線通訊接口電路增加了抗干擾措施：(1)CAN控制器的RXA、TXA分別經過高速線性光耦隔離輸出給CAN總線驅動器PCA82C250，目的是隔離CAN總線上的其它節點；(2) CAN總線控制器PCA82C250的CANH和CANL信號線分別連接一個5Ω的電阻至CAN總線接口，目的是限制電流過大，避免驅動器燒壞，降低0、1信號變化時波形的超調；(3) CANH、CANL引腳通過瓷片電容接地，可以起到穩壓和抑制高頻干擾的作用；(4)CANH、CANL引腳通過穩壓二極管接地，避免信號線和地之間的尖峰電壓。

4 上位機通訊模塊設計

在測試系統中，上位機接收下位機系統的狀態信息，對本系統的電壓、電流、溫度及剩余容量等進行實時顯示監控。依靠PC機和下位機TMS320F28335的串行通訊接口實現雙向通訊，PC機向下位機主要發送控制指令；下位機則向PC機發送電流、電壓、溫度、電量信息和系統運行狀態。

為了實現遠程終端PC機的顯示與控制，上位機和下位機之間需要有MAX232芯片串口通訊模塊，以實現通信電平和上位機PC的TTL/CMOS電平轉換。圖6給出了上位機PC與下位機通訊的串口電路。

上位機PC界面采用LABVIEW編程，可以顯示電池的電壓、電流、溫度及剩余電量；也可以給TMS320F28335發送控制指令，包括啟動、關閉及存儲曲線等。圖7給出了電池組狀態監測界面。

圖8給出了1號電池組中各單體電池的參數監測界面。

圖6 串口通訊電路

圖7 電池組狀態監測界面

圖8 單體電池參數監測界面

5 結語

本文詳細介紹了礦用救生艙蓄電池剩余電量測試系統的工作原理，分別研究了主控模塊、數據采集模塊、電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路的設計；使用霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器和溫度傳感器采集了電池電壓、電流、溫度信號，并經信號處理電路處理后傳送到DSP28335，進行了電池剩余電量的估算，繼而將相關信息傳送至上位機，最終實現了救生艙蓄電池剩余電量的實時在線測量和管理。

[1]張曉冬.國內外蓄電池監測系統的現狀及發展趨勢[J].農機化研究，2002(3)：18-19．

[2]朱永祥.蓄電池剩余容量在線檢測方法研究[J].長沙大學學報，2006，20(5)：39-41．

[3]朱元，韓曉東，田光宇.電動汽車動力電池SOC預測技術研究[J].電源技術，2000，24(6)：153-156．

[4]王琦，汪淳.本安電路中鋰電池的設計要求[J].工礦自動化，2010，7(7)：30-32.

[5]李敬兆，張崇魏．基于模糊神經網絡預測技術檢測蓄電池剩余電量研究[J]．煤礦機械，2002，8(1)：21-24．

Design ofmine-used lifesaving cabin battery remaining power testsystem

M IAO Chang-xin，LIXuan，FENG Xue-jun
(Schoolof Information and Electrical Engineering，China University ofM ining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221008，China)

The remaining capacity test system of the battery was designed based on the technology of DSP.The test system collected respectively the battery voltage，current and tem perature signal，and the signal processing was transm itted to the DSP28335 to estimate the residualamountof the battery，and relevant information was transm itted to the host com puter.The real-time on-line measurement and management of the remaining power of lifesaving cabin battery was realized.

lifesaving cabin;state of charge ofbattery;testsystem

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1422-02

2015-12-05

教育部科學技術研究重大項目基金(311021)

苗長新(1977—)，男，山西省人，副教授，碩士生導師，博士，主要研究方向為煤礦電氣安全。