矿用救生舱蓄电池剩余电量测试系统设计

苗长新，李璇，冯学俊

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008)

矿用救生舱蓄电池剩余电量测试系统设计

苗长新，李璇，冯学俊

(中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州221008)

基于DSP技术对救生舱蓄电池剩余电量测试系统进行了设计，该测试系统分别采集了电池电压、电流和温度信号，并经信号处理后传送至DSP28335，进行了电池剩余电量的估算，继而将相关信息传送至上位机，最终实现了救生舱蓄电池剩余电量的实时在线测量和管理。

救生舱；蓄电池剩余电量；测试系统

矿难发生时由于井下电网受损，救生舱的外部电源无法正常供电，此时为保证救生舱能够继续正常工作，救生舱中必须有充足的后备电源，根据国家相关标准，该后备动力系统在外部电源断开时，必须保证额定供电时间不低于96 h。然而井下救生舱蓄电池的剩余电量不可直接测量，只能通过与另外一些可测参数之间的非线性的函数关系进行预测，这些参数主要包括电池端电压、放电电流和电池的温度。预测复杂度相对较高，测量结果存在较大误差，因此设计一套行之有效、测量精确的测试系统对救生舱蓄电池的研究具有重大意义[1－2]。

1 系统的总体架构

本文在设计舱用蓄电池测试系统时采用了模块化的思想，主要包括主控模块、AD采样模块、上位机通讯模块、CAN总线模块，如图1所示。其中，AD采样模块包括电压采集部分、电流采集部分和温度采集部分，为了保证采样可调，可在主控模块中设置采样频率。

主控模块的功能主要是DSP来实现的，本文选用德州仪器(TI)生产TMS320F28335型数字信号处理器。相比其它款的定点DSP处理器，TMS320F28335是一款浮点型芯片，而且其性能更可靠，拥有功耗低、精度高、处理速度快、数据存储量大、模块独立性好的优点。

图1 系统的总体架构

2 数据采集模块的设计

2.1 电压检测设计

舱用蓄电池组由20节1.2 V/30 Ah氢镍电池单体串联而成，根据救生舱所需的安时总数，共需这种规格的电池组8组。其中单体电池的电压幅度为2～3 V，在救生舱中单体电池采用串联的方式连成电池组，彼此均不接地。本文中单体电池电压经过高速线性光耦隔离后，输入到运算放大器TL082中，经过一系列的电压变换，调整到可供DSP28335接收的电压信号范围(0～3.3 V)。图2给出了单体电池的电压检测电路图。

本系统包含8个电池组，需要采集到的电压信息较多，而芯片DSP28335中含有内置的A/D转换模块，因此，本文设置较大的采样频率，以顺序采样的方式将8路电压信号转换并送入主控芯片缓冲区。

图2 电压检测电路

2.2 电流检测设计

电流是判断电池容量的重要参量，电池SOC的估算是以对电流积分为基础的，因此它的测量精度对估算电池SOC影响很大[3]。在对电池组充放电电流进行采样时，传感器必须具备响应时间快、低温漂、精度高、频带宽、抗干扰能力强、过载能力强的特点，而霍尔电流传感器是一个很好的选择。本文采用CHB-100SF霍尔电流传感器对电池充放电电流进行采样，其电路如图3所示。

图3 电流采集电路

2.3 温度检测设计

2.3 温度检测设计

在救生舱中电池组不停充放电的过程中会产生较多的热量，如果不及时反馈温度信息并加以处理，就会影响电池的寿命及充放电效率，甚至会导致电池损坏或爆炸。本文设计了单体电池温度检测电路，其中单体电池温度检测采用美国NS公司生产的精密集成电路温度传感器LM 35，在摄氏温度下直接校准，其输出电压与摄氏温标呈线性关系，灵敏度为10.0 mV/℃，精度为0.4～0.8℃，温度范围为－55～150℃。

实际使用中，将塑封的传感器平面用环氧树脂粘贴在电池表面，以提高准确度。为了使主控芯片DSP28335输入模拟电压范围为(0～3.3 V)，本文控制器中加入了一个减法器电路，以防止温度低于0℃时产生负电压。环境温度检测电路如图4所示[4－5]。

图4 温度检测电路

3 CAN总线接口设计

电池电量估计系统与中央控制系统的通信是通过CAN通信来实现的。本文设计的控制器中含有CAN通信模块，它将不同的控制器连接起来，实时动态地将电池信息传输至救生舱中央通讯网络，实现信息可靠共享。在本文中，CAN模块是DSP28335内部自带的，图5给出了CAN总线通讯接口电路设计图。

图5 通讯接口电路设计

PCA82C250是CAN总线驱动器，有差分发送和接收功能，在复杂环境下，CAN节点会受到一些干扰，所以，本文的CAN总线通讯接口电路增加了抗干扰措施：(1)CAN控制器的RXA、TXA分别经过高速线性光耦隔离输出给CAN总线驱动器PCA82C250，目的是隔离CAN总线上的其它节点；(2) CAN总线控制器PCA82C250的CANH和CANL信号线分别连接一个5Ω的电阻至CAN总线接口，目的是限制电流过大，避免驱动器烧坏，降低0、1信号变化时波形的超调；(3) CANH、CANL引脚通过瓷片电容接地，可以起到稳压和抑制高频干扰的作用；(4)CANH、CANL引脚通过稳压二极管接地，避免信号线和地之间的尖峰电压。

4 上位机通讯模块设计

在测试系统中，上位机接收下位机系统的状态信息，对本系统的电压、电流、温度及剩余容量等进行实时显示监控。依靠PC机和下位机TMS320F28335的串行通讯接口实现双向通讯，PC机向下位机主要发送控制指令；下位机则向PC机发送电流、电压、温度、电量信息和系统运行状态。

为了实现远程终端PC机的显示与控制，上位机和下位机之间需要有MAX232芯片串口通讯模块，以实现通信电平和上位机PC的TTL/CMOS电平转换。图6给出了上位机PC与下位机通讯的串口电路。

上位机PC界面采用LABVIEW编程，可以显示电池的电压、电流、温度及剩余电量；也可以给TMS320F28335发送控制指令，包括启动、关闭及存储曲线等。图7给出了电池组状态监测界面。

图8给出了1号电池组中各单体电池的参数监测界面。

图6 串口通讯电路

图7 电池组状态监测界面

图8 单体电池参数监测界面

5 结语

本文详细介绍了矿用救生舱蓄电池剩余电量测试系统的工作原理，分别研究了主控模块、数据采集模块、电压测量电路、电流测量电路、温度测量电路的设计；使用霍尔电压传感器、霍尔电流传感器和温度传感器采集了电池电压、电流、温度信号，并经信号处理电路处理后传送到DSP28335，进行了电池剩余电量的估算，继而将相关信息传送至上位机，最终实现了救生舱蓄电池剩余电量的实时在线测量和管理。

[1]张晓冬.国内外蓄电池监测系统的现状及发展趋势[J].农机化研究，2002(3)：18-19．

[2]朱永祥.蓄电池剩余容量在线检测方法研究[J].长沙大学学报，2006，20(5)：39-41．

[3]朱元，韩晓东，田光宇.电动汽车动力电池SOC预测技术研究[J].电源技术，2000，24(6)：153-156．

[4]王琦，汪淳.本安电路中锂电池的设计要求[J].工矿自动化，2010，7(7)：30-32.

[5]李敬兆，张崇魏．基于模糊神经网络预测技术检测蓄电池剩余电量研究[J]．煤矿机械，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

教育部科学技术研究重大项目基金(311021)

苗长新(1977—)，男，山西省人，副教授，硕士生导师，博士，主要研究方向为煤矿电气安全。