【论文精选】基于μC/OS-II的蓄电池状态监测与智能控制系统

摘要: 汤健强,周凤星,沈春鹏(武汉科技大学 信息科学与工程学院,湖北 武汉430081)摘 要: 针对12 V车

汤健强,周凤星,沈春鹏

(武汉科技大学 信息科学与工程学院,湖北 武汉430081)

摘  要: 针对12 V车载蓄电池供电系统中蓄电池提前失效的情况,设计了一套基于μC/OS_II的蓄电池状态监测与智能控制系统。该系统综合使用反激式开关电源技术、μC/OS_II多任务管理、数字PI控制器以及PWM脉宽调制技术,实现了对蓄电池充、放电过程的统一管理,有效避免了蓄电池的欠充、过充以及过放发生。此外,提出了采用最小二乘拟合局部放电曲线,获取一阶系数的方法对蓄电池的使用寿命和性能进行评估。实验表明:该系统实时性能良好,运行可靠,为蓄电池维护和管理提供了良好的解决方案。

关键词: 智能控制与监测;反激式开关电源;多任务管理;多段式充电策略;寿命评估预测

中图分类号: TM912

文献标识码: A

DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.037

中文引用格式: 汤健强,周凤星,沈春鹏. 基于μC/OS-II的蓄电池状态监测与智能控制系统[J].电子技术应用,2017,43(7):148-152,156.

英文引用格式: Tang Jianqiang,Zhou Fengxing,Shen Chunpeng. Battery condition monitoring and intelligent control system based on μC/OS-II[J].Application of Electronic Technique,2017,43(7):148-152,156.

0 引言

蓄电池被广泛应用于多种工业领域和人们的日常生活当中,其使用寿命与欠充、过充以及过放密切相关。如何有效保证和提高蓄电池的使用寿命是蓄电池管理系统设计中急需解决的问题。

蓄电池管理系统的设计主要从充电和放电两个方面进行,不同的应用场景所采取的充放电控制策略也各有侧重。目前,充电策略主要采用三段式充电[1,2],研究较热的主要是脉冲充电[3,4],旨在避免蓄电池欠充与过充;放电策略主要采用设置门限电压的方式,旨在避免蓄电池过放。

针对本课题的具体研究对象,本文设计了一套基于μC/OS-II的蓄电池状态监测与智能控制系统。该系统采用多任务设计对12 V车载蓄电池进行维护和管理。设计综合应用了μC/OS-II实时多任务管理、反激式开关电源技术、数字PI控制器与脉宽调制(PWM)技术,通过对蓄电池工作过程中电压和电流的变化进行分析,合理控制蓄电池的工作进程,从而保证和提高了蓄电池的循环使用寿命,对蓄电池应用技术的发展具有重要的促进意义。

1 系统结构及工作原理

蓄电池状态监测与智能控制系统主要由两个部分构成:反激式开关电源与AVR单片机数字控制电路。反激式开关电源将市电转换为低压直流电为蓄电池充电,AVR单片机数字控制电路实现对蓄电池充、放电进程实时、高效的统一控制。图1为硬件电路整体结构框图。

软件设计采用对AVR单片机移植μC/OS-II[5]操作系统内核,实现多任务管理。图2为用户任务管理的树状图。

1.1 反激式开关电源设计

开关电源的具体设计指标如下:工频输入AC 220(1±20%)V;直流输出18 V/10 A和10 V/0.6 A;开关频率fS=65 kHz,输出功率Pout=180 W,工作效率η≥85%,最大占空比Dmax=0.45,电流连续型工作模式(CCM)。具体设计主要包括3个部分:EMI滤波、高频变压器以及环路补偿。

1.1.1 EMI滤波

开关电源产生的电磁干扰(EMI)主要以传导干扰和近场干扰为主,包括共模干扰和差模干扰2种状态。EMI滤波器[6-8]可以有效滤除电网中的共模与差模干扰。EMI滤波电路主要由共模电感、X电容、Y电容与泄放电阻组成。共模电感由两个同向绕制的线圈组成,用于消除回路差分电流;X电容并接在共模电感两侧,用于消除差模干扰;Y电容跨接在输出端且串联中点接地,用于抑制共模干扰;泄放电阻用于消除在滤波器中可能出现的静电积累。

1.1.2 高频变压器设计

高频变压器设计是开关电源设计中最重要的环节,变压器性能的优劣直接影响开关电源的工作稳定性和使用性能。式(1)~式(11)给出了高频变压器设计中参数的计算过程。其中,Bm为磁通密度最大变化量,J为电流密度,Ku为窗口系数,Vo为输出电压,VD为整流二极管压降,Va为辅助绕组输出电压。

初级输入电压最小值

    

    初级电流峰值

    

    在CCM模式下,梯形脉宽电流的最小值为IP1,最大值为IP2,设IP2=3IP1,且IP1+IP2=IPK,则:

    

    初级绕组电感量最小值

根据式(1)~式(11)计算高频变压器参数,利用Saber软件对高频变压器进行建模分析,得到如图3所示的分析结果。其中,变压器绕组结构为初级绕组分别在最内层与最外层各绕NP/2匝,次级绕组与辅助绕组均绕在中间层,以减小变压器漏感。

图3说明了工作频率为65 kHz时,变压器的自感与计算结果相符合;变压器漏感较小,开关管的电压应力减小,符合设计要求。

1.1.3 环路补偿

环路补偿[9,10]采用TL431与线性光耦LTV817构成外部误差放大器,以开关电源的输出误差为反馈信号,调节UC3843输出PWM的占空比,实现开关电源稳压输出。图4为由TL431与LTV817组成的环路补偿。其中R5、C2和C3组成一个带积分的二阶环节,保证了系统响应速度的稳定性和快速性。

1.2 数控单元电路设计

AVR单片机数控单元采用PWM脉宽调制技术对蓄电池充放电过程进行统一管理。数控单元主要包括以下3个部分:数据采集与处理单元、蓄电池充放电控制与反接保护电路以及场效应管栅极驱动单元。

1.2.1 数据采集与处理单元

12 V蓄电池在工作过程中端电压在10.5 V~14.0 V之间变化,单片机AD转换参考电压为5 V,因此需要对采样信号进行线性调理。本设计采用阻值为400 kΩ和100 kΩ,精度为1%的电阻进行分压采样,分压系数k=0.2。

蓄电池充放电电流采用霍尔传感器获取。由于传感器的输出存在2.5 V直流偏置,为消除偏置电压,减少单片机转换与计算时间,使用LM358构建差分电路,获取实际的电流转换电压进行AD采样。

电路噪声和外界干扰的存在使得AD采样信号中混有各种噪声,为提高采样信号信噪比,本文采用巴特沃斯低通滤波器设计方法设计了通带截止频率为100 Hz,阻带截止频率为500 Hz,输出增益为1的二阶有源低通滤波器对信号进行滤波处理。

1.2.2 蓄电池充放电控制与反接保护电路

系统采用PWM方式实现对蓄电池充放电过程的统一管理[11,12]。根据场效应管的伏安特性可知,在MOS管的饱和区,当VGS固定时,VDS的变化对IDS的影响不大,具有恒流源特性。因此,通过数字PI控制器自适应调整场效应管的栅源电压可以得到设定的恒流输出,实现多段式恒压限流充电管理。放电过程中,蓄电池端电压会从13.1 V逐渐下降至工作截止电压10.5 V,使得蓄电池的输出不稳定。因此,采用PWM脉宽调制的方式对直流负载进行供电,使蓄电池稳定输出。

为防止由于交流电源断开后蓄电池对开关电源电路反向放电,利用二极管的单向导通特性,通过在回路中串接肖特基二极管MBR20100防止蓄电池逆向放电。同时,考虑到蓄电池接入时可能出现反接,造成电路板元件损坏,设计采用MOS管反接保护电路,通过电阻R9和稳压二极管D2提供场效应管的栅源电压。当蓄电池反接时,栅源电压VGS=0,场效应管截止,充电回路被断开。图5为蓄电池充放电控制与反接保护电路设计。

1.2.3 场效应管栅极驱动

场效应管栅极驱动IR4427驱动芯片。该芯片具有独立同相双PWM门级驱动控制通道,兼容TTL电平,可直接由单片机的PWM输出电平控制门级驱动器输出。设计中通过单片机的定时器0和定时器1产生两路PWM,分别与IR4427的PWM输入端连接,从而产生直接用于驱动充放电控制回路场效应管的PWM信号。

2 系统软件设计

2.1 蓄电池管理程序设计

软件设计采用在AVR单片机中移植μC/OS-II作为程序运行平台,使用多任务管理实现蓄电池充、放电过程控制的高效、可靠管理。

μC/OS-II是一种可剥夺式实时操作系统,CPU始终运行优先级高且已就绪的任务。因此,在任务分配中需要根据任务的实时性和重要性合理分配任务的优先级。

μC/OS-II在AVR单片机上移植需要对与处理器和应用程序相关的代码进行修改。与处理器相关:头文件OS_CPU.H中处理器的字长、数据类型、中断以及堆栈生长方向的宏定义;汇编文件OS_CPU_A.ASM中四个子程序:OSStartHighRdy(使任务指针一直指向就绪任务中优先级最高的任务控制块OS-TCB)、OSCtxSw(普通任务的切换)、OSInitCtxSw(中断级任务的切换)和OSTickISR(时钟节拍中断);C文件OS_CPU_C.C中堆栈的初始化函数OStaskStkInit(),用于在任务堆栈中模拟一次中断。与应用程序相关的代码文件:INCLUDES.H用于程序的文件包含,简化头文件书写,增强代码的可移植性;OS_CFG.H中包含有操作系统功能的启动配置宏定义。图6为基于μC/OS-II操作系统平台的软件设计流程图。

2.2 蓄电池寿命评估预测算法设计

本设计采用寿命预测[13]算法实现对蓄电池使用性能和使用寿命进行评估预测。算法设计步骤如下所示:

(1)以蓄电池放电曲线为分析标准,把蓄电池电压下降至12 V时作为分析数据的记录起点;

(2)采样频率100 Hz,使用滑动窗口均值滤波对采样序列进行预处理;

(3)每秒钟记录一次采样值,重复50次,将得到的采样值取平均,记为Yi

(4)重复步骤(3)8次,得到输出序列Y={Yi},输入序列X={Xi=i},i=1,2,…,8;

(5)采用最小二乘法对局部放电数据进行高阶曲线拟合,获取各阶系数的参数辨识结果。

利用最小二乘对拟合曲线的各阶参数进行辨识的过程如下:

首先确定函数类:选择的函数类应形式简单,易于计算,同时其几何分布应与测量数据的分布相似。n次多项式是常用且简单的形式。为减小单片机的计算复杂度,这里选择二阶多项式函数类进行测量数据的曲线拟合。

选取拟合函数类的数学表达式为:

解矩阵方程便可得辨识参数a0、a1、a2,进而根据辨识参数的变化规律对蓄电池的性能和使用寿命作出评估预测。

3 实验测试与算例分析

为验证系统的运行效果,设计了如下实验对该系统的功能进行验证。实验采用四节12V-12AH的蓄电池并联工作,放电实验采用逆变器转换蓄电池电能给2只并联的220 V~200 W特种灯泡放电。

3.1 蓄电池充、放电实验

充电策略采用多段式恒压限流[14]充电:涓流充电,当蓄电池端电压小于10.5 V工作截止电压时采用1 A小电流充电;当蓄电池端电压大于10.5 V小于13.5 V时进入恒流充电,最大电流取0.1 C~0.25 C,本设计中恒流充电电流取6 A,符合8小时充电规则;蓄电池电压在13.5 V到14.0 V之间时使用阶梯式恒压限流充电,浮充阶段充电电流取0.01 C,本设计取0.5 A作为浮充电流[15]

蓄电池放电实验采用PWM控制方式,通过逆变器将电能转换为交流输出,供给灯泡放电。蓄电池放电过程中端电压会随着放电过程的进行逐渐下降,当电压下降至10.5 V截止工作电压时,PWM输出恒为低电平,断开负载,防止蓄电池过放带来的寿命损失。如图7为PWM控制下的蓄电池充放电曲线,放电电流数据取传感器的转换输出电压值,转换精度为40 mV/A,用以鉴别该蓄电池管理系统的控制效果;表1给出了不同充电阶段下充电电流的控制误差,用以评估数字PI控制下蓄电池充电阶段划分的精度和有效性。

从图7中可以看出:数字PI控制下,多段式恒压限流充电方式得到有效实施,PWM控制放电具有良好的均值电流恒流特性。

从表1中可以看出,不同充电阶段下充电电流的最大误差ΔImax<0.3 A,最小误差ΔImin<0.2 A,平均误差ΔIavg<0.1 A,可见PI控制器对蓄电池的充电过程具有很高的控制精度。

3.2 蓄电池寿命预测

为了让用户在使用蓄电池过程中及时了解蓄电池的性能和剩余使用寿命,采用寿命预测评估算法获取蓄电池局部放电拟合曲线的一次项和二次项系数,对蓄电池使用性能和剩余使用寿命进行评估预测。表2给出了蓄电池经过若干次放电后的局部放电曲线拟合结果。

根据表2可知,随着蓄电池放电次数的增加,拟合曲线一阶系数的绝对值越来越大,二阶系数则没有明显的规律,因此得出结论:通过对以12 V为起点的局部放电拟合曲线的一阶系数的计算可以对蓄电池的使用性能和寿命进行有效评估和预测,从而指导用户对蓄电池的使用与维护。

4 结论

本系统通过对μC/OS-II实时多任务管理、反激式开关电源技术、数字PI控制器与PWM脉宽调制技术的综合应用,实现了对12 V车载蓄电池的有效管理。系统具有防止蓄电池欠充、过充以及过放、故障检测与报警、蓄电池性能与使用寿命预测分析功能;在提高蓄电池充电效率,保障供电时长的前提下,有效保证和提高了车载蓄电池的使用寿命。此外,本文提出了通过采用最小二乘对蓄电池局部放电曲线进行拟合,获取拟合曲线一次项系数,对蓄电池的使用寿命和性能进行评估的方法,可以为用户对蓄电池的维护和管理提供参考性的意见。同时,为避免由于拟合结果失真造成评估结果的误判,系统还采用统计蓄电池完全充放电次数的方式对误判进行甄别。

目前,该系统主要应用于12 V车载蓄电池管理,处于试用阶段。进一步的研究将通过设计更加可靠的评估算法,结合机器学习和人工智能的理念使该系统更加智能化,为蓄电池提供更加完善可靠的维护和管理功能。对于12 V光伏系统中蓄电池的管理,该系统也具有一定的应用前景,可以根据设计要求修改驱动程序和外围硬件电路实现光伏系统蓄电池的有效管理。

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