Пристрій для контролю параметрів акумуляторних батарей та відповідної мережі постійного струму

Abstract

Мобільні пристрої інформаційних, керуючих та телеметричних систем живляться від мобільних генераторів через перетворювачі змінного струму на постійний, від акумуляторних батарей чи за можливості прямо від сонячних панелей. Сонячні панелі, як правило, працюють у системі, що передбачає використання акумуляторів для забезпечення функціонування систем, коли сонячні панелі не працюють або не забезпечують достатньої потужності. Підзаряджати акумулятори можна від самих панелей за достатньї потужності сонячних панелей або від зовнішнього джерела постійного струму. Також для функціонування мобільних пристроїв використовують системи живлення тільки від акумуляторів, підзаряджання яких здійснюється від генераторів чи за можливості від стандартних електричних мереж. Всі ці варіанти систем живлення мобільних пристроїв потребують оперативного контролю параметрів акумуляторних батарей та відповідних мереж постійного струму. У роботі запропоновано варіант побудови пристрою для контролю таких параметрів: напруги мережі постійного струму, від якої живиться мобільний пристрій чи здійснюється заряджання акумуляторних батарей; контроль струму заряду акумуляторної батареї; контроль опору ізоляції кіл постійного струму; контроль наявності напруги зарядних пристроїв; контроль стану зарядних пристроїв; захист акумуляторних батарей від глибокого розряду; контроль стану комутаційних вузлів. Пристрій реалізовано як двопроцесорну систему на базі мікроконтролерів STM32F103. Для вимірювання постійного струму використано безконтактний сенсор типу LEM LA 100-P, який формує аналоговий сигнал, що пропорційний до значення постійного струму. Цей сигнал подається на 16-розрядний аналого-цифровий перетворювач. Оскільки ці мікроконтролери мають інтегровані 12-розрядні аналого-цифрові перетворювачі, для забезпечення необхідної точності вимірювання постійного струму та напруги використано зовнішній 16-розрядний аналого-цифровий перетворювач типу ADS1115, який передає інформацію в базовий процесор через інтерфейс І2С. Базовий процесор реалізує основні режими функціонування пристрою, а локальний процесор забезпечує обмін інформацією із загальною системою мобільного енергозабезпечення через інтерфейс RS-485. Пристрій обладнаний системою індикації на базі LCD індикатора типу ВС1602А та функціонально програмованих одиночних світлодіодних індикаторів, локальною клавіатурою для вибору режимів керування, портом USB для підключення додаткових модулів та портом SWD для програмування Flash пам’яті мікроконтролерів і налагодження програм у реальному часі. Під час функціонування в енергонезалежній пам’яті пристрою зберігаються параметри нестандартних подій. Розроблено програмне забезпечення базового та локального процесорів, яке забезпечує функціонування пристрою в основних режимах та здійснює періодичну самодіагностику пристрою. Отриманими результатами можна скористатися в наукових дослідженнях та під час проєктування реальних автоматизованих систем живлення мобільних інформаційних систем.

Mobile devices for information, control and telemetry systems are powered by mobile generators through AC to DC converters, by batteries or, if possible, directly by solar panels. Solar panels typically work in a system that involves the usage of batteries to keep the systems running when the solar panels are not working or not providing enough power. The batteries can be recharged from the panels themselves if the solar panels have sufficient power or from an external direct current source. Also, for some mobile devices, power systems are used only with batteries, which are recharged from generators or, if possible, from standard electrical networks. All these options of power supply systems for mobile devices require operational control of battery parameters and corresponding direct current networks. The paper proposes a device for monitoring the following parameters: voltage of the direct current network from which the mobile device is powered or the batteries are charged; battery charge current control; control of insulation resistance of direct current circuits; control of the voltage of chargers; monitoring the status of chargers; protection of batteries from deep discharge; control of the state of switching nodes. The device is implemented as a two-processor system based on STM32F103 microcontrollers. A non-contact sensor of the LEM LA 100-P type is used to measure the direct current, which generates an analog signal proportional to the value of the direct current. This signal is passed to a 16-bit analog-to-digital converter. Given that these microcontrollers have integrated 12-bit analog-todigital converters, an external 16-bit analog-to-digital converter of the ADS1115 type is used to ensure the necessary accuracy of direct current and voltage measurement, which transmits information to the basic processor via the I2C interface. The basic processor implements the main operating modes of the device, and the local processor provides information exchange with the general mobile power supply system through the RS-485 interface. The device is equipped with an indication system based on an LCD indicator of the VS1602A type and functionally programmable single LED indicators, a local keyboard for selecting control modes, a USB port for connecting additional modules and a SWD port for programming the Flash memory of microcontrollers and debugging programs in real time. During operation, parameters of non-standard events are stored in the device's non-volatile memory. The software of the basic and local processors has been developed, which ensures the functioning of the device in basic modes and performs periodic self-diagnosis of the device. The obtained results can be used in scientific research and in the design of real automated power systems for mobile information systems.