基于5G無線通信的電池狀態信息采集系統設計

張創奧，吳暉，李云鵬，王黎明，黃澤民

（國網浙江省電力有限公司樂清市供電公司，浙江 樂青 325600）

0 引言

在高速發展的現代社會，供電質量的好壞將影響社會經濟的發展。現有的電網供電大多十分穩定，一般來說，只有在進行線路檢修時才會停電。在電網供電中，一般會采用蓄電池組作為停電時的應急電源。但是，由于蓄電池組的運行狀態受到多種因素的影響，容易出現蓄能不足的情況。如果蓄電池的運行狀態欠佳，將會因為蓄電池故障導致在需要使用時不能啟動發電機，影響供電質量[1]。

當前，我國的變電站大多無人值守，如果用傳統的方式來維護變電站，必然會增加人力成本。另外，蓄電池完成一次充放電循環將耗費30個小時，如果依靠人工監測，不僅耗費大量的人力成本，而且監測效率、監測準確度也較低。本系統主要是采集蓄電池的電壓、電流、溫度和剩余電量等信息，從而了解蓄電池的電流、電壓、溫度、剩余電量等運行參數，并且對可能出現的故障進行預判及預警。

1 系統總體設計

本系統總體設計結構框圖如圖1所示，本系統所采集的信號包括電壓采集信號、電流采集信號和溫度采集信號，其中，電壓采集信號和電流采集信號是由芯片DS2438采集，溫度采集信號是由AT89S52單片機采集。將采集到的電壓信號、電流信號和溫度信號輸給單片機。最后，由5G通信模塊將所采集到的電壓、電流和溫度傳輸給終端機，在人機交互界面上顯示監測結果。

圖1 總體設計結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 處理器選擇

Atmel公司生產AT89S52單片機有8位CPU，256字節RAM，自帶8K編程，Flash存儲器，功能十分強大，已經廣泛應用于工業領域。本設計采用AT89S52單片機作為控制器，能夠為系統提供多樣化的解決方案，為本系統各項功能的順利開展提供可行方案。

2.2 電流電壓信號采集單元設計

美國DALLAS半導體公司生產的DS2438智能電池監測芯片具有極高的穩定性，并且支持1-Wire單總線的通信方式。本系統采用DS2438智能電池監測芯片來監測蓄電池的電壓和電流，接線方式如圖2所示。將DS2438芯片的DQ和單片機AT89S52的I/O物理連接，就可以實現電流和電壓數據的傳輸，實現電流和電壓采集需求。

圖2 DS2438 芯片與單片機的連線圖

2.2.1 電流信號采集單元設計

DS2438芯片采用SOIC方式封裝，允許通過的最大電流為毫安級。如果直接用于采集DS2438芯片進行數據采集，顯然容易過流，破壞系統的穩定性。智能電池監測芯片采用SOIC方式封裝，可測電流范圍一般為毫安級。但是，變電站的蓄電池組電流可以達到10安培，如果直接采用DS2438智能電池監測芯片監測，必然會出現電流過大的情況。因此，本系統通過調節電阻的方式來轉化電流，讓轉化后的電流范圍減少到毫安級。經過實驗得知，本系統采用閉環電流霍爾傳感器實現電流的轉換，具體的轉換公式為：

蓄電池的測量電流與刪除測量電流之間的關系為：

其中，IBAT表示蓄電池電流，ISENS表示刪除蓄電池電流，K表示閉壞電流霍爾傳感器的比例系數。

電流信號采集的接線方式為：將芯片DS2438的引腳VSENS+和VSENS-與閉環電流霍爾傳感器的RSENS兩端相連。用電容Cf和電阻R構成RC低通濾波器，該RC低通濾波器的頻率為15.9Hz。由于RC低通濾波器能夠有效消除電流尖峰對采集電路的影響，因而，測量精度更高。

2.2.2 電壓信號采集單元設計

通常情況下，需要兩個選通信號來采集單個蓄電池的電壓，如果蓄電池組的串聯單體越多，光耦開發的數量就會增加，在測量準確度、測量精度等方面將會受到較大影響。本系統采用Altera公司生產的EPM7064可編程邏輯控制器來控制光耦，減少光耦對電壓測量結果的影響。

2.3 蓄電池剩余容量采集單元設計

蓄電池的標稱容量受到多個因素的影響，并且會隨著環境變化而波動，并不是一個定值。所以，在實踐中，大多采用蓄電池的實際容量來計算剩余容量。剩余容量的計算公式為：

其中，ICA是直流過蓄電池寄存器的電流。

2.4 蓄電池溫度信號采集單元設計

美國Dallas公司生產的數字溫度傳感器DS18B20是以“一線總線”的方式采集和傳輸溫度。該數字傳感器無需額外的A/D轉換器，可以直接將采集到的溫度傳輸給CPU，具有極強的敏感度和抗干擾能力。本系統采用數字溫度傳感器DS18B20采集溫度信號，接線方式如圖3所示。將溫度傳感器DS18B20的DQ端與單片機的I/O端相連，VDD接+5V電壓，GND接地。

圖3 DS18B20 測溫電路

2.5 通信單元電路設計

本系統采用5G通信，主控制器的I/O接口分別與5G通信模塊的TX與RX連接，能夠與5G模塊實現同頻率雙向信號傳輸。通信模塊采用WH-LTE-7S4V2芯片作為控制器，該芯片具有極強的適應性，能夠在移動、聯通、電信等任何一種5G網絡制式下實現數據的通信和傳遞。通信單元支持Socket連接，能夠為網頁數據的更新提供數據，便于用戶實時通過網頁來查看電池信息。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

本系統采用DS2438芯片作為主控器，對蓄電池的電壓、電流、溫度等運行參進行監控，從而實現無人值守的蓄電池監測。根據實踐需要系統主程序如圖4所示。系統初始化完成以后，控制器將會根據實際情況判斷是否啟動中斷程序。如果關閉中斷程序，系統繼續運行主程序及其他功能模塊，等待信號接收和發出。如果定時中斷，智能電池采集芯片DS2438將采集到的信號進行數據處理，處理完成以后定時器復位，等待信號接收和發出[3]。

圖4 系統框圖

3.2 后端軟件設計

本設計的后端軟件主要包括電流電壓采集模塊的程序設計、剩余電量采集模塊的程序設計、溫度采集模塊的程序設計和通信模塊的程序設計。

電壓采集模塊的程序設計思路如下：電壓傳感器采集到電壓數據，通過DS2438芯片轉化為電壓指令。ROM將會根據電壓指令去配置/控制寄存器數據，并將SRAM00頁數據存放暫存器，用戶就可以查詢到電壓值。

剩余電量采集模塊的數據并非直接讀出，而是通過計算得出。具體的計算方法為：控制器自動讀取電流累加器ICA寄存器的值，然后，按照公式來計算蓄電池所剩電量。

溫度采集模塊是指溫度傳感器采集到數據以后，通過1-Wire總線進行數據傳輸。本系統尚未涉及較為復雜的溫度采集，因而，僅用1片DS18B20芯片就可以完成操作。具體來說，通過轉換溫度命令（44H），讀暫存器命令（BEH）等命令就可以實現溫度數據通信與傳輸。值得注意的是，在溫度數據傳輸過程中，該線路不能傳輸任何其他數據。如果需要傳輸其他數據，啟動中斷程序，傳輸完畢后，通過復位脈沖就可以發起溫度數據傳輸。

在蓄電池實體設置了多個溫度信息采集點，單片機將各溫度點實時數據采集以后封裝成幀。單片機發起定時傳輸功能，并且通過5G串口通信將數據傳輸到服務器端，服務器端接受到相關數據時通過人機交互界面呈現給用戶。

4 結語

本文提出的基于5G無線通信的蓄電池狀態信息采集系統能夠實現電流監測、電壓監測、剩余電量監測和溫度監測，滿足對電池信息的實時監測。隨著應用的不斷深入，后續還可以增加蓄電池狀態采集參數來監控蓄電池，實現規模化儲能無線數據遠傳，解決現有蓄電池監控系統存在的不足。