基于HBS通訊帶鋰電池的線控器的研究與設(shè)計(jì)

張 爭 劉泉洲 李玉發(fā)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

前言

HBS通訊因其便捷性以及可靠性，在多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。線控器作為控制終端，通過HBS接入整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)；然而HBS通訊供電能力有限，使得線控器功能單一，與當(dāng)今人們愈長的多媒體化需求相悖。本文將鋰電池技術(shù)引入到HBS線控器中，實(shí)現(xiàn)HBS線控器的多媒體化。

1 鋰電池技術(shù)概述

鋰電池為鋰離子電池簡稱，廣泛應(yīng)用于移動終端、電動交通工具、航空航天等各種領(lǐng)域，有高電壓、高能量密度、低污染、小體積等優(yōu)點(diǎn)[1]。

鋰離子電池是指正極材料使用嵌鋰離子的的電池總稱，內(nèi)部由正極材料、負(fù)極材料、隔膜以及電解液四個(gè)部分組成，如圖1為鋰電池的工作原理圖[2]。

圖1 鋰電池工作原理圖

鋰離子電池采用鋰的活性氧化物作為正極材料，負(fù)極則采用碳基材料或者硅基材料。原理上，鋰離子電池是基于鋰離子濃度差的電池，鋰離子在正負(fù)極間的嵌入及脫出形成了電池的充放電過程[3]。以硫酸鋰鐵電池為例，其充放電化學(xué)過程如下：

正極反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

總反應(yīng)：

本文設(shè)計(jì)采用鋰電池并配合bq27750電量計(jì)芯片，其中電量計(jì)芯片放置于鋰電池端，對電量檢測更精準(zhǔn)。

2 基于HBS通訊的空調(diào)系統(tǒng)概述

HBS全稱HOMEBUS（日本家庭總線），是一種低壓無極性電源載波通訊技術(shù)方案。其基本原理為：使用差模電感與耦合電容實(shí)現(xiàn)“供電直流”和“通訊載波”[4]；如圖2為HBS原理框圖。

圖2 HBS原理框圖

通過HBS技術(shù)，系統(tǒng)可以在供電的同時(shí)進(jìn)行通訊。這種技術(shù)在空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用在空調(diào)內(nèi)機(jī)和線控器之間，空調(diào)內(nèi)機(jī)通過HBS給線控器供電的同時(shí)與線控器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互傳。

然而這種方式也存在弊端，因?yàn)镠BS的供電能力是有限的，故通過HBS取電的線控器只能功率較小。而今對線控器的功能需求越來越多導(dǎo)致HBS供電能力不足的問題愈發(fā)凸顯。

本文便在基于HBS通訊的空調(diào)系統(tǒng)中引入鋰電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)HBS線控器的多媒體化。

3 線控器硬件平臺設(shè)計(jì)

基于HBS通訊的集成鋰電池的線控器系統(tǒng)如圖3所示。線控器通過HBS兩芯通訊線與內(nèi)機(jī)相連，內(nèi)機(jī)通過HBS給線控器供電以及與線控器進(jìn)行通訊。線控器內(nèi)部由HBS通訊芯片、電池管理芯片、鋰電池以及MCU等各種功能模塊組成；HBS通訊芯片將HBS通訊線的電能以及信號分隔開，電能給電池管理芯片，信號與MCU進(jìn)行通訊，電池管理芯片將電能供給功能模塊以及鋰電池，同時(shí)控制供電路徑，且電池管理芯片能與MCU通訊，并能被MCU控制；鋰電池通過電池管理芯片進(jìn)行充放電；MCU等各種功能模塊實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制以及各種功能的實(shí)現(xiàn)。

圖3 基于HBS通訊的集成鋰電池的線控器系統(tǒng)

線控器主芯片選用格力GM66××系列，GM66××系列單片機(jī)是格力電器公司推出的低功耗、高性能產(chǎn)品，它支持UART、SPI、I2C 通信[5]。電池管理芯片選用TI的bq25××系列，bq25××系列是高度集成的3 A 開關(guān)模式電池充電管理和系統(tǒng)電源路徑管理器件，適用于單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池。HBS通訊芯片采用MM1192實(shí)現(xiàn)線控器與內(nèi)機(jī)的兩線無極性通訊。

4 線控器軟件平臺設(shè)計(jì)與邏輯實(shí)現(xiàn)

線控器控制程序采用C 語言編程實(shí)現(xiàn)。通過GM66×× 內(nèi)部有IIC對電池進(jìn)行管理，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)過程。其工作邏輯及控制方法如下：

電池接入開關(guān)硬件、軟件均可以控制，硬件與軟件同時(shí)開，電池才會接入，硬件與軟件任意一個(gè)關(guān)，電池?cái)嚅_，硬件隨時(shí)檢測HBS通訊線電壓，如無通訊則控制電池?cái)嚅_，如有通訊則接入。

當(dāng)硬件打開電池開關(guān)時(shí)，線控器判斷電池電量是否充足，如不足則線控器進(jìn)入低功耗模式，此模式下僅由HBS給線控器供電，并通過多余電量給電池充電，同時(shí)線控器僅維持基本功能，語音、及其它高功耗功能關(guān)閉，以免超過HBS最大帶載能力[6]。

電池電量充足時(shí)，判斷是否有人進(jìn)行交互，如有人則進(jìn)入交互模式，當(dāng)線控器處于交互模式下時(shí)，此時(shí)通過線控器所有功能正常，當(dāng)使用語音交互、視頻播放等大功耗功能時(shí)，由HBS以及電池共同給線控器供電，使得線控器能運(yùn)行大功率功能。同時(shí)線控器會判斷電池電量是否充足，電池電量充足時(shí)維持交互狀態(tài)，不足時(shí)進(jìn)入低功耗模式。其流程圖如圖4所示。

圖4 線控器控制流程圖

通過以上方法，使得基于HBS通訊的線控器可以實(shí)現(xiàn)語音，彩屏等高功率功能模塊的運(yùn)行。如表1為實(shí)測4組樣機(jī)，16組數(shù)據(jù)，運(yùn)行結(jié)果展示了很好的可靠性。

表1 實(shí)測數(shù)據(jù)表

5 結(jié)語

本文是對鋰電池在基于HBS通訊的空調(diào)系統(tǒng)中的研究，通過應(yīng)用鋰電池技術(shù)，提出了一種帶有鋰電池控制系統(tǒng)的HBS線控器；通過對電池的管理將HBS內(nèi)機(jī)提供的有限電能合理運(yùn)用，讓線控器實(shí)現(xiàn)彩屏、語音、WiFi等高功率多媒體功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的方案具有一定的有效性和可靠性，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

在多媒體化背景下，用戶對空調(diào)的需求更加的多元化，設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合多維度技術(shù)方案，多方面設(shè)計(jì)產(chǎn)品，提升用戶體驗(yàn)度[7]。