基于MC9S12XS128和LTC6803-4的WSN節(jié)點光伏充電管理系統(tǒng)

古 冉，焦 俊* ，孟珠李，范國華，宋 宇

(1.安徽農業(yè)大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036；2.安徽農業(yè)大學 工學院,安徽 合肥 230036)

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基于MC9S12XS128和LTC6803-4的WSN節(jié)點光伏充電管理系統(tǒng)

古 冉1，焦 俊1*，孟珠李1，范國華1，宋 宇2

(1.安徽農業(yè)大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230036；2.安徽農業(yè)大學 工學院,安徽 合肥 230036)

針對太陽能的特點和鋰電池的特性，設計基于MC9S12XS128和LTC6803-4的WSN節(jié)點光伏充電管理系統(tǒng)，設計鋰電池組充放電、溫度檢測、電壓采集和均衡控制等硬件電路，編寫相應的底層軟件，將電池電壓、充放電電流、電池溫度的采樣值與實際值進行比較，驗證采樣值的準確性，同時分析均衡控制的效果.實驗結果表明：設計的光伏充電管理系統(tǒng)運行安全、可靠，能為WSN節(jié)點提供穩(wěn)定的能量來源.

MC9S12XS128；鋰電池組；LTC6803-4；均衡控制

使用鋰電池儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)已在通信、野外照明、汽車等領域中得到廣泛應用[1]，電池組的管理及保護是該技術的關鍵環(huán)節(jié)，研究人員對電池組管理系統(tǒng)進行了大量的研究[2-5].趙潤富等[6]研究了太陽能電動車能量控制策略，將鋰電池組的管理和保護技術應用于電動車領域.張開生等[7]研究了基于MPPT的太陽能照明控制器，將鋰電池組的管理和保護技術應用于照明設備.熊蘭等[8]將鋰電池組充放電管理和保護技術應用于在線監(jiān)控設備.胡奇勛等[9]設計的太陽能供電系統(tǒng)，應用在WSN節(jié)點中，實現(xiàn)了對單節(jié)電池充放電的管理.筆者擬設計一套基于MC9S12XS128和LTC6803-4的WSN節(jié)點光伏充電管理系統(tǒng)，將太陽能轉化成電能，對鋰電池組進行有效管理.

1 系統(tǒng)總體功能分析

在光伏充電管理系統(tǒng)中，電能由太陽能板產生，然后儲存在鋰電池組中，鋰電池組采用8節(jié)串聯(lián).在電池串聯(lián)使用時，考慮到電池組中單節(jié)電池電壓不一致，因此設計充放電和均衡控制電路來保護鋰電池的安全，從而延長電池的使用壽命[10].

系統(tǒng)包括電池組充放電測控模塊、溫度測控模塊、電池電壓采集及均衡控制模塊.電池組充放電測控模塊由采集和控制電路組成.飛思卡爾實時采集電池組的充放電電流，場效應管作為開關對電池組充放電過程進行控制,避免電池組過充和過放，否則會導致電池性能降低，甚至出現(xiàn)安全隱患.

溫度測控模塊由采集和控制電路組成.飛思卡爾實時采集每節(jié)電池的工作溫度及LTC6803-4芯片溫度.場效應管作為開關，當電池工作溫度超過45 ℃或者LTC6803-4工作溫度超過85 ℃，斷開放電開關.

電池電壓采集及均衡控制模塊能實時采集單節(jié)電池電壓，然后將數據實時傳送給飛思卡爾處理器.均衡控制模塊實時判斷電池組中單節(jié)電池最大電壓和最小電壓差是否大于0.2 V，如果大于0.2 V,則對電壓值最大的電池進行放電.系統(tǒng)框架如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

2 硬件電路

2.1 充電及放電電路

2.1.1 充電電路

飛思卡爾處理器實時采集充電電流，然后將采集值和預設值(2 A)進行比較，從而控制irf4905場效應管的導通狀態(tài)，對鋰電池組的充電進行控制.

圖2為充電電路.LM2576HV-ADJ為可調整開關穩(wěn)壓器，R50值的大小可由下式計算

(1)

其中：Vout為輸出電壓，其值為32 V；Vref為基準電壓，其值為1.23 V； R52取1 kΩ.由式(1)可知R50為25 kΩ.

圖2 充電電路Fig.2 The circuit of charging

對于充電電流的采集，需將電流信號轉換為電壓信號.電路中要加入10 mΩ的精密電阻R53，此時電壓為0～0.03 V,故采用放大電路(見圖3).將R53兩端電壓放大51倍,同時使R41/R43的比值等于R49/R47的比值,這是為了確保輸出電流與負載電阻R45無關，從而提高測量的準確性.放大后的電壓信號連接飛思卡爾PAD12引腳，通過采集PAD12引腳的電壓值算出太陽能電池板的輸出電流.開關管選用PNP型的增強型場效應管irf4905[11].如果充電電流大于2 A，則通過飛思卡爾的PAD14引腳去斷開rf4905場效應管.

圖3 放大電路Fig.3 The circuit of amplifying

2.1.2 放電電路

用飛思卡爾處理器實時采集放電電流，將采集的電流值與預設值(2 A)進行比較，若大于預設值，則斷開irfs3607場效應管，對鋰電池組進行放電控制.

圖4為放電電路.圖4中，使用LM158對信號放大51倍.放大后的電壓信號連接飛思卡爾PAD06引腳，通過采集PAD06引腳的電壓值算出放電電流大小.由J1接入負載，開關管選用irfs3607場效應管.如果放電電流大于2 A，那則通過飛思卡爾的PAD07去控制irfs3607場效應管的斷開狀態(tài).

圖4 放電電路Fig.4 The circuit of discharging

2.2 電池電壓采集電路

圖5為電壓采集電路.圖5中，C1到C8用于實時采集單節(jié)電池電壓，通過SPI電池組電壓實時傳給飛思卡爾處理器.鋰電池組采用8節(jié)電池串聯(lián)，鋰電池采用的是三星ICR18650-26F,電池容量為2 600 mAh，標準電壓為3.7 V.將電池工作時的實時電壓值Vn(n為1到8)與預設值進行比較，Vn低于3 V時，立即給電池充電； Vn高于4 V時，斷開irf4905場效應管，停止充電.

圖5 電壓采集電路Fig.5 Voltage acquisition circuit

2.3 均衡控制電路

圖6為均衡控制電路.圖6中，由AGND接入第1節(jié)電池負極，CELL1接入第1節(jié)電池正極和第2節(jié)電池負極，CELL2接入第2節(jié)電池正極和第3節(jié)電池負極，依次串聯(lián)，直到第8節(jié)電池正極接入VCC_32.用LTC6803-4芯片的S1到S8去均衡電池組中每節(jié)電池的電壓，用C1到C8實時采集單節(jié)電池電壓,當單節(jié)電池電壓最大值與最小值差值大于0.2 V時，啟動均衡控制，用33 Ω的功率電阻對電壓最大值的電池放電，從而達到均衡電池電壓的目的[12].

圖6 均衡控制電路Fig.6 Balance control circuit

2.4 電池溫度采集及芯片溫度采集電路

鋰電池在工作過程中會產生熱量，用NTC熱敏電阻實時檢測鋰電池溫度，當溫度大于45 ℃時，斷開充放電開關.在電池組均衡控制過程中，也用NTC熱敏電阻實時檢測LTC6803-4芯片溫度.當溫度大于85 ℃時，斷開充放電開關.溫度采集電路如圖7所示.

圖7 溫度采集電路Fig.7 Temperature acquisition circuit

3 軟件設計

軟件要完成的功能如下：對系統(tǒng)進行初始化，實時采集充放電電流，判斷采集值是否超過預設值(2 A)，閉合或者斷開充放電開關；實時采集電池溫度值、芯片溫度值、電池電壓值；判斷總電壓是否超過預設值，若超過，則斷開充電開關，將采集到的參數值實時通過液晶顯示；如果單節(jié)電池電壓值小于3 V，則閉合充電開關；如果單節(jié)電池電壓值大于4 V，則斷開充電開關，否則判斷是否需要開啟均衡控制；如果不需要控制，則繼續(xù)充電.程序流程如圖8所示.

圖8 程序流程Fig.8 Program flowchart

3.1 系統(tǒng)初始化及充放電的主要代碼

系統(tǒng)初始化及充放電的主要代碼為：

void ATD0_Init( );//AD初始化

void LTC6803Init();//LTC6803-4芯片初始化

void SPI0_Init( );//SPI0初始化

voidLCD_Init( );//液晶初始化

uchar charge_value;//即PAD12，對應R53兩端經過放大后的電壓信號

DDR0AD0=0x40;//把PAD14設為輸出

PT0AD0=0x40;// PAD14輸出高低電平，控制充電開關

while(!ATD0STAT2H_CCF12)

{;}

charge_value = ATD0DR12L;

ChongDianPanDuan(convert_value);//判斷充電電流是否大于2 A，從而閉合或者斷開充電開關，液晶實時顯示

uchar discharge_value;//即PAD06，對應R62兩端經過放大后的電壓信號

DDR1AD0=0x80;//把PAD07 設為輸出

PT1AD0=0x80;//PAD07輸出高低電平，控制放電開關

while(!ATD0STAT2H_CCF6)

{;}

discharge_value = ATD0DR6L;

FangDianPanDuan(disconvert_value) ;//判斷放電電流是否大于2 A，從而閉合或者斷開放電開關，液晶實時顯示

3.2 電池溫度及芯片溫度采集

溫度的采集采用查表法.根據AD值查詢對應的溫度值，即為數組NTC_Tab1 [86]的元素對應的下標，將實時采集到的電壓值經過GFunc_NTCQuery()函數找到其對應電壓值的下標，即為對應電池的溫度值，并實時顯示出來.

電池溫度及芯片溫度采集的關鍵代碼為：

uchar Temperature；//用于接受GFunc_NTCQuery返回的下標

uchar convert_ue;//接受對應的AD值

unsignedchar NTC_Tab1[86]={ 191,188,186，…，25,24,23,22};//NTC_Tab1

while(!ATD0STAT2L_CCF0)

{;}

convert_ue = ATD0DR0;

Temperature =GFunc_NTCQuery(NTC_Tab1,convert_ue,86);

…//液晶實時顯示

3.3 電池電壓采集及均衡控制

開始時主函數已對LTC6803-4進行初始化，隨后通過ltc_sendbyte()函數發(fā)送啟動電池電壓ADC轉換的命令和讀取電池組電壓的命令.用SPIRead()讀取電池電壓寄存器值，存入Original_CVR1[12]數組，再通過CRC8(Original_CVR1,12)函數計算CRC及判斷CRC是否正確.如果不正確，繼續(xù)讀取電壓值直到校驗正確.如果正確，計算出單節(jié)電池電壓，存入Original_CVR1[]數組.電壓采集流程如圖9所示.

圖9 電壓采集流程Fig.9 Voltage acquisition flowchart

電池電壓采集的關鍵代碼為：

ltc_sendbyte(0x10 )//命令發(fā)送函數

…

for(i=0;i<12;i++)//將讀出的數值賦給電池電壓寄存器組

{Original_CVR1[i]=SPIRead();}

CRC_Cal=CRC8(Original_CVR1,12);//計算校驗

if(CRC_Cal==Original_CVR1[12]) ;//CRC校驗正確

{ Cell_CVR1[0]=((Original_CVR1[1]&0x0F)<<8)+Original_CVR1[0];

…

Cell_CVR1[7]=((Original_CVR1[11]<<4)+((Original_CVR1[10]&0xF0)>>4));

for(i=0;i<8;i++)

{Cell_CVR1[i]=((Cell_CVR1[i]-512)*3)>>1;}

}

均衡控制即找出單節(jié)電池電壓最大值和最小值，如果單節(jié)電池電壓最大值大于3.7 V并且最大值與最小值的差大于0.2 V，則開啟均衡控制[13].均衡控制流程如圖10所示.

圖10 均衡控制流程Fig.10 Balance control flowchart

均衡控制的關鍵代碼為：

Intk;//k為接受數組中電池電壓最大值對應下標i的值

for(i=0;i<8;i++)//找出單節(jié)電池電壓最大值、對應數組下標i和單節(jié)電池電壓最小值

{…}

if((Vmax>=3700)&&((Vmax-Vmin)>Dcc_Value)) //Dcc_Value=0.2 V

{ DHGSwitch8|=(1<

else

{ DHGSwitch8&=～(1<

…//液晶顯示

}

ltc_sendbyte(DHGSwitch8);//對電壓值最大的單節(jié)電池發(fā)送放電的命令

CRC_Temp=CRC8(DHGSwitch8,1);//計算CFGR單元的CRC

ltc_sendbyte(CRC_Temp);//寫CRC校驗字節(jié)，對電壓值最大的單節(jié)電池放電

4 測試與分析

測試電池組中單節(jié)電池的電壓值，將LTC6803-4采集的電壓值與萬用表測得的實際值進行比較，結果如表1所示.

表1 單節(jié)電池電壓測量值和實際值比較

從表1可以看出，單節(jié)電池電壓測量值與實際值非常接近，誤差在0.3%左右，說明電池管理芯片對電池電壓的測量比較準確，滿足設計要求.

對電池的溫度進行測量，采用高姆的DT-8380非接觸式紅外線測溫儀，每隔10 min測量一次.選取電池組中的2節(jié)電池進行溫度測量，測量值與實際值的比較如表2所示.

表2 電池溫度的測量值和實際值比較

從表2可知，電池的溫度越來越高，最后達到穩(wěn)定的值，測量誤差在4%左右，說明熱敏電阻對電池溫度的測量準確，滿足設計要求.

再對充放電電流進行測量，將測量值和萬用表測得的實際值進行比較，得到結果如表3，4所示.

表3 充電系統(tǒng)電流測量值和實際值的比較

表4 放電系統(tǒng)電流測量值和實際值的比較

從表3,4可以看出，該系統(tǒng)充放電電流測量誤差在1%左右，比較準確，滿足設計要求.

對均衡控制效果進行驗證，首先對其中一節(jié)電池單獨充電，使其電壓達到3.76 V，高于其他3節(jié)電池電壓值(其他3節(jié)電壓為3.12,3.01,2.90 V)，然后啟動充電.在充電過程中，每隔2 min記錄4節(jié)電池的電壓.圖11為均衡控制測試結果.從圖11中可以看出，4節(jié)電池在充電之初，最低電壓為2.90 V，最高為3.75 V，充電一段時間后，電池電壓基本達到一致，說明該均衡控制起了作用，使4節(jié)電池工作在一致狀態(tài)下.

圖11 均衡控制測試結果Fig.11 The test results of balance control

5 結束語

筆者設計的基于MC9S12XS128和LTC6803-4的WSN節(jié)點光伏充電管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了充放電電流、溫度、電池電壓的采集及控制.由測試結果可知系統(tǒng)運行安全、可靠，能為WSN節(jié)點提供穩(wěn)定的能量來源.

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(責任編輯 鄭小虎)

The photovoltaic charging management system of WSN nodes based on MC9S12XS128 and LTC6803-4

GU Ran1,JIAO Jun1*,MENG Zhuli1,FAN Guohua1,SONG Yu2

(1.College of Information and Computer Science,Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China;2.College of Engineering,Anhui Agriculture University,Hefei 230036,China)

In view of the features of solar power and the characteristic of lithium battery ,the photovoltaic charging management system of WSN nodes was designed on basis of MC9S12XS128 and LTC6803-4.And then the hardware circuit diagram of the lithium batteries group charge and discharge,temperature detection,voltage collection,and equalization control was designed,while at the same time,the relative underlying software was programmed to compare the battery voltage,charge and discharge current,battery temperature sample value with the actual value,verify the accuracy of sampling values and analyze the effect of balanced control.It was proved that this photovoltaic charging management system designed in this paper was safe and reliable and provided a stable source of energy for WSN nodes.

MC9S12XS128； lithium battery group； LTC6803-4； balance control

10.3969/j.issn.1000-2162.2016.06.012

2015-12-16

安徽省教育廳質量工程項目(KJ2014A074,2014JYXM091,2014TSZY090)

古 冉 (1991-),男,安徽蕪湖人,安徽農業(yè)大學碩士研究生；*焦 俊(通信作者),安徽農業(yè)大學副教授,碩士生導師，博士，E-mail:913470623@qq.com.

TM91

A

1000-2162(2016)06-0064-09