刘 昊，黄 凌，樊 霈

一种船用蓄电池监测器的低功耗设计

刘 昊，黄 凌，樊 霈

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

船用蓄电池监测器通过检测小部分蓄电池来估算整个电池组的容量。其传感器增加被测蓄电池功耗，影响容量的计算。本文分析了当前传感器各功能模块的能耗，对硬件电路和软件控制进行优化，设计了低功耗的传感器。新传感器功耗比原传感器显著降低，电池组容量的监测精度更高。通过可靠性试验证明低功耗传感器满足长期稳定运行的需求。

蓄电池容量传感器能耗低功耗传感器

0 引言

铅酸蓄电池广泛用作舰船的动力或备用电源，对蓄电池的容量（又称荷电状态，SOC）的准确监测有十分重要的意义[1-2]。常用的监测方法是从蓄电池组中抽取小部分蓄电池作为检查池，对检查池的电极电压，电解液的密度、温度、液位等参数进行测量，再使用公式计算电池的SOC[3]。目前，在线式监测蓄电池参数的传感器，已在舰船上得到广泛应用。传感器探头深入电解液，测量液体的密度、温度、液位信息。由于舱室线缆布置，防爆设计等原因，传感器从被监测蓄电池获取自身工作电源。

蓄电池监测装置准确测量蓄电池组SOC的一个关键，是检查池的荷电状态与非检查池的一致，测量检查池参数就能反映整组蓄电池的状态。但是传感器从检查池取电工作，将导致检查池耗费更多的电能，荷电状态低于非检查池，随着时间的积累，荷电状态的差异越来越大，从而使检查池失去代表性。通常每三个月对蓄电池组进行一次周期治疗，治疗后所有电池都处于充满电的状态，荷电状态的差异基本被消除。对传感器进行低功耗设计，在为期3个月的周期中，减少对检查池的电能消耗，对提升蓄电池监测装置的精度有重要意义。

1 蓄电池传感器的能耗分析

传感器具有六个功能模块，分别是电源模块、电压测量、密度测量、温度测量、液位监测和通信模块。以一款成熟的在线式传感器为例，对其能耗进行分析。

电源模块的功能是把铅酸蓄电池电压转化为供其他各功能模块使用的稳定直流电压，传感器消耗的电能都流经电源模块。铅酸蓄电池的输出电压根据其荷电状态，处于1.6至2.8 V。电源模块根据后端检测电路的需要，将蓄电池电压变换至1.2 V，1.8 V，3.3 V，5 V等电平。

DSP是传感器的运算与控制核心，由于传感器的密度测量功能需要运用图像处理算法分析大量数据，因此选用了具有浮点乘法器的C6000系列DSP[4]。DSP被设定分为高速和长时两种工作模式，高速模式即进行密度测量工作时，DSP以225 MHz的频率运行图像处理算法，考虑电源模块的效率，产生的功耗约为1200 mW；长时模式DSP被用于控制电压、温度、液位和通信等模块的工作，功耗约900 mW。

密度测量使用的是光学原理，工作方式如下。电源驱动LED发射探测光，光线经过待测电解液，获取与电解液密度有关的信息，再由CMOS图像传感器芯片采集光学影像，SDRAM存储影像数据，DSP对数据进行分析处理，计算出溶液密度。密度检测运行时，LED发光功率100 mW，图像传感芯片能耗150 mW，存储器RAM能耗100 mW；密度检测模块待机时，LED不发光，图像传感芯片休眠功耗近乎为零，RAM休眠能耗小于3 mW。

电压测量功能使用模数转换（AD）芯片完成。AD芯片由电源模块供电，通过与蓄电池连接采集电池电压，把测量结果反馈给DSP。电压测量模块工作电流小于2 mA，功耗不足6 mW。

温度测量采用DS18B20芯片，该芯片技术成熟，运用领域广泛，功耗小于5 mW[5]。

液位监测用的是光电液位开关，设有2个，分别对液位低于下限和液位高于上限进行报警。每个光电液位开关外有一个光学探头，内有一对发射、接收二极管，发射管持续发送红外光。当光学探头与空气接触时，接收管能收到红外光；而当液体浸没光学探头时，红外光进入液体，接收管无红外光。根据接收管收到的红外光能量，就能判断液位是否达到报警条件。每个液位开关运行功耗75 mW。

通信模块采用的是CAN总线协议，功能是传感器接收监控主机的测量指令，反馈各参数测量结果给主机。为防止总线上的电磁噪声影响传感器电路，CAN通信模块需要进行2000 V等级隔离设计，运用逆变器、变压器、光耦等技术，隔绝电气干扰。通信模块运行功耗约200 mW。

将各模块的功耗汇总，得到表1（电源模块的损耗已经分摊在各功能模块中）。传感器在进行密度测量时功耗约1.91 W，待机或进行其他工作的功耗约1.26 W，其中DSP的能耗占比超过60%。

表1 原传感器能耗明细

安装在电池上的传感器，通常每分钟测量一次密度，密度测量时间持续5秒，传感器的平均功耗是：

一种常见的船舶用铅酸蓄电池容量约10300安时[6]，蓄电池的平均工作电压2.1 V，在3个月的电池周期治疗间隔期间，传感器累计消耗1356 AH的电能，占电池总容量的13.2%。因此，蓄电池监测装置估算蓄电池组荷电状态，也将产生最大13.2%的系统误差，误差在蓄电池组周期治疗后消除。

2 低功耗设计方法

2.1 降低DSP芯片功耗

前文的分析表明，传感器的功耗主要来自DSP芯片，减低功耗首先从DSP芯片着手。在进行密度测量时，需要调用DSP的浮点乘法器运行图像处理算法，因此DSP的功耗不可省略。而传感器在进行其他参数测量或待机运行时，DSP只是起到控制IO接口和进行少量运算的功能，而功耗仍然达到900 mW。说明在待机时，DSP性能的冗余造成了电力的浪费。由此，我们提出如下设计，使传感器在进行密度测量时，开启DSP运算功能；传感器在进行其它测量工作和待机时，关闭DSP，由低功耗的单片机进行控制和运算。

图2 对DSP进行能耗管理的传感器设计

对DSP进行能耗管理后，传感器的功能框图如上。用单片机芯片实现对各测量功能的控制，DSP仅用于密度测量。对DSP的电源输入设置一对基于MOSFET管原理的开关，其通断状态由单片机控制。DSP芯片分为的内核和外围两部分，内核用于运算，由1.2 V电源供电，外围控制I2C、SPI等通信接口，电源需3.3 V。启动DSP时，单片机首先打开1.2 V电源的开关，约1 ms后再开通3.3 V电源开关；关闭DSP时，单片机先断开3.3 V电源，最后切断1.2 V电源。密度测量模块的运行/待机状态改由单片机控制，其图像数据接口仍与DSP连接。进行密度测量工作时，单片机首先通过电源开关控制DSP启动，再控制密度测量模块进入运行，DSP采集图像数据并计算获得电解液密度，把密度值传递至单片机。与图1的原传感器相比，密度测量时还增加了单片机和电源开关的功耗，电源开关选用漏电流极低的TPS27082型号，功耗可忽略，单片机选用工业界常用的LPC系列，功耗约140 mW。待机和进行其它测量时，DSP芯片电源被切断，与原传感器相比，控制芯片的功耗从900 mW降至140 mW，节省84%。

2.2 液位、通信模块的功耗管理

根据液位监测和通信模块的原理，接上电源就会按额定功率工作，功耗共350 mW。为降低功耗，采样和管理DSP功耗同样的思路，单片机操纵电源开关，只在模块需要工作时打开电源，工作结束后关闭模块供电，从根本上消除模块的待机损耗。

如上图所示，液位监测模块的供电是5 V，在其电源输入线上设置MOSFET管。进行液位监测工作时，单片机开启液位监测电源，并读取液位状态；监测结束后，单片机操作MOSTET管关闭液位监测电源，节省电力。

图3 低功耗传感器设计

通信模块的供电是3.3 V，也在电源线上设置了开关。对在线式传感器而言，处于待机状态时要通信模块保持运作，随时准备接收上位机的指令。接收指令后进行测量工作时，可以暂时关闭通信功能，测量结束后，需要再打开通信，把结果返回上位机。

2.3 优化传感器的运行模式

传感器具有多个功能模块，为充分发挥其性能，同时减小功耗，需要用单片机软件控制各功能模块的开启/休眠状态。经过优化设计，传感器控制软件分为密度测量、液位监测和待机三种运行模式。

1）密度测量模式

传感器接收到密度测量指令后，控制电源开关关闭通信模块和液位监测模块的电源，开启DSP芯片电源，唤醒密度测量模块，进行基于图像处理的密度测量工作。单片机接收到DSP发送的密度测量结果后，使密度模块进入休眠，再切断DSP电源，最后开启通信模块电源，把测量结果返回上位机。密度测量运行中的功耗约为1701 mW，见表2。

2）液位监测模式

传感器接收到液位监测指令后，保持DSP和密度测量模块关闭，单片机控制开启液位监测模块的电源，读取液位开关的数据，并将结果发送至上位机。由于开启液位监测电源后1 ms内即可读取液位监测结果，没有必要为了节省能耗在如此短暂工作时间内关闭通信模块电源。液位监测时传感器的功耗约为504 mW。

3）待机模式

待机模式中，传感器关闭密度测量和液位监测有关模块的电源，保持通信模块运作，以随时接收上位机的测量指令。前文已分析，电压测量和温度测量模块运行功耗极低，在待机模式中，单片机操作电压测量和温度测量模块持续运行，不断高速采集电压和温度数据，并用算法对数据进行滤波平滑处理，获得稳定的测量结果。单片机约3秒钟更新一次温度、电压结果，当上位机发来密度和温度采集指令时，传感器无需重新测量，直接把存储的最新结果返回上位机，节省了测量时间。待机模式的功耗为354 mW。

表2 低功耗传感器的能耗明细

表2对优化后的传感器功耗进行了统计。相比于原传感器功耗，密度测量时的功耗降低11%，液位监测时的功耗降低60%，待机模式功耗节省最多，降低了72%。通常地，传感器超过90%的时间运行在待机模式，因此降低待机模式的功耗最具有实用意义。

2.4 综合能耗分析

按传感器每分钟测量一次密度、六次液位和六次电压的频率计算，3个月时间，传感器累计耗能480 AH，占蓄电池总容量10300 AH[6]的4.7%，导致的蓄电池监测装置估算SOC系统误差在5%以内，相比原高功耗传感器，测量精度显著提高。

对于大容量的铅酸蓄电池而言，最常见的工况是浮充和小电流放电，此时密度是缓变量，每30分钟测一次密度就足以反映蓄电池的荷电状态。把蓄电池组的充放电电流作为判断密度采样频次的条件，大电流充放电时每分钟测一次密度，随着电流减小，采样频率逐渐降低至每30分钟一次。这种动态采样频次设计，可以在不影响电池密度测量精度的前提下，减小传感器能耗，最低至每周期369 AH，占蓄电池总容量的3.6%。

3 验证情况

为验证上述降功耗设计方案，制作传感器样机，并参与试验。

3.1 样机设计与制造

样机设计分为硬件电路和嵌入式软件两部分。硬件上，为沿用原传感器成熟的机械结构，低功耗电路板的外形尺寸、厚度保持和高功耗电路板一致，通过优化板面布置、增加电路板内部导线层的方法，增加单片机、电源开关等电路。软件上，DSP保留图像处理算法，把原传感器控制电压、液位、温度测量和CAN通信模块的代码移植到单片机上，增加单片机运行密度测量、液位监测和待机工作模式的代码。完成样机改进设计后，委托工厂生产，得到低功耗蓄电池监测传感器样机10台。

3.2 能耗检验

对每台样机，首先检验、确认其各项参数检测功能正常，再用电流表和电压表测量其工作功率。10台样机测量结果的平均值如下表所示。结果显示，理论计算功耗和实际测量值之间的误差在4%以内。

表3 样机能耗检验

3.3 可靠性试验

传感器面向的应用场景是蓄电池的免维护自动监测，必须能够连续运行数月甚至几年时间。尤其是低功耗的传感器中，DSP、密度测量模块、液位监测模块和通讯模块会反复经历断电、上电过程，其可靠性能否满足使用要求是改进设计成功与否的关键。以传感器免维护工作时间10000小时作为验证目标，按照GJB899A标准设计可靠性试验。

使用10台样机同时进行试验，按照1.1倍的验证时间计算，总试验时间为1100小时，试验所有传感器不出现任何故障，则认为传感器可靠工作时间满足10000小时。试验中，每个传感器每8秒进行一次密度测量和一次液位监测，其余时间为待机测量。试验在三综合试验箱中进行，环境温度覆盖0℃到55℃，湿度处于65%到95%，每12个小时为1个循环周期，共92个循环。试验前、试验中每4小时、试验后都对传感器功能进行检查。

按照上述试验设计，选择有资质的第三方试验机构进行了试验。试验运行顺利，所有检测点功能均满足要求，证明了本低功耗设计传感器的可靠性达到设计目标。

4 结论

蓄电池监测传感器的能耗使检查蓄电池容量低于其它非检查池，导致监测装置估算蓄电池组荷电状态产生偏差。本文分析了传感器各功能模块的能耗，对硬件电路和软件控制进行优化，设计了低功耗版传感器。通过理论计算和样机的能耗检测、可靠性试验等，验证了低功耗传感器性能比原装置明显提升，满足长期准确测量蓄电池组荷电状态的需求。

[1] 谢炜, 柳彬, 耿攀, 邢贺鹏. 中压动力蓄电池组监测管理系统的设计[J]. 船电技术, 2011, 31(12): 15-20.

[2] 德伯尔, 孔庆福, 祝剑. 船用蓄电池组健康管理系统设计[J]. 船电技术, 2018, 38(2): 1-7.

[3] 彭澎, 司凤荣. 铅酸蓄电池可用容量分析方法研究[J]. 船电技术, 2015, 35(2): 6-8.

[4] 刘党辉, 沈兰荪. DSP芯片及其在图像技术中的应用[J]. 测控技术, 2001, 20(5): 16-23.

[5] 潘勇, 孟庆斌. 基于DS18B20的多点温度测量系统设计[J]. 电子测量技术, 2008, 31(9): 91-93.

[6] 李红飞. 蓄电池参数自动检测系统的研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2007.

Low Power Consumption Design of a Ship Battery Monitoring Device

Liu Hao, Huang Ling, Fan Pei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM912

A

1003-4862（2019）09-0018-05

2018-04-19

刘昊（1987-），男，工程师。研究方向：光电技术，传感器技术。E-mail: wiwimou@live.com