智能蓄電池性能監(jiān)測(cè)儀主機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　摘要：為了測(cè)量鐵路車輛用蓄電池的放電性能，采用以ARM芯片為核心，設(shè)計(jì)蓄電池性能監(jiān)測(cè)儀。監(jiān)測(cè)儀能夠針對(duì)多種類型蓄電池實(shí)現(xiàn)核對(duì)性放電、短時(shí)容量測(cè)試和數(shù)據(jù)管理等功能，著重給出監(jiān)測(cè)儀主機(jī)的電路結(jié)構(gòu)以及軟件設(shè)計(jì)，給出實(shí)際測(cè)試界面。經(jīng)過(guò)對(duì)鐵路車輛蓄電池的實(shí)際測(cè)試，滿足對(duì)蓄電池性能測(cè)試的要求。

　　0 引言

　　蓄電池組廣泛應(yīng)用于電力、通信、金融、鐵路等行業(yè)，作為可靠的后備電源，為各行業(yè)提供直流或交流不間斷電源系統(tǒng)。在蓄電池維護(hù)過(guò)程中，需要對(duì)蓄電池的性能準(zhǔn)確、及時(shí)的測(cè)量，提前判斷電池的質(zhì)量，找出落后電池，并加以處理和維護(hù)。本文針對(duì)蓄電池充放電過(guò)程，設(shè)計(jì)一種智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠完成多種規(guī)格單體電池和蓄電池組的核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)、蓄電池容量測(cè)試、停電后在線監(jiān)測(cè)蓄電池容量及充電電壓檢測(cè)和數(shù)據(jù)管理功能。本文著重介紹監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)模塊的電路結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)概述

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由主機(jī)模塊、采集分機(jī)模塊和上位機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主機(jī)模塊是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)蓄電池放電控制、本機(jī)數(shù)據(jù)顯示、采集分機(jī)的管理和與上位機(jī)的通信，測(cè)量電池組電壓、電流和容量等任務(wù)；采集分機(jī)模塊負(fù)責(zé)單體電池電壓和電流的測(cè)量，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞給主機(jī)；上位機(jī)對(duì)蓄電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)綜合管理。蓄電池放電過(guò)程中，主機(jī)模塊通過(guò)總線控制采集分機(jī)模塊測(cè)量各電池電壓并讀回電壓值，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)功能。與此同時(shí)，主機(jī)還將各電池電壓、總電壓、總電流等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給PC 機(jī)，PC 機(jī)的軟件又可對(duì)放電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。放電結(jié)束后，數(shù)據(jù)還將保存到主機(jī)內(nèi)部E2PROM中，用戶可以直接查看數(shù)據(jù)，也可通過(guò)U盤轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)后到PC上分析數(shù)據(jù)。

　　2 主機(jī)電路結(jié)構(gòu)

　　主機(jī)模塊以ARM芯片LPC2132為核心，擴(kuò)展外圍電路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，對(duì)蓄電池放電進(jìn)行控制，測(cè)量蓄電池總電壓和總電流。LPC2132 是32 位ARM7TDMI-STM CPU,具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，配置了豐富的接口資源，內(nèi)部多通道10位精度A/D接口，完全滿足電池電壓、電流數(shù)據(jù)的采集精度要求，不需要增加外圍A/D 芯片，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)儀采用新型PTC 陶瓷電阻作為蓄電池放電負(fù)載，避免了紅熱現(xiàn)象，安全可靠無(wú)污染，LPC2132擴(kuò)展I/O 接口連接放電控制板，MOSFET 與PTC 電阻串聯(lián)，放電控制板控制MOS-FET控制蓄電池流過(guò)PTC電阻上的放電電流。

　　主機(jī)模塊通過(guò)LCD液晶顯示器和按鍵構(gòu)成人機(jī)交互電路。LCD12864 液晶顯示器能夠顯示4×8 個(gè)漢字，通過(guò)總線與ARM 芯片連接，檢測(cè)儀的操作、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、通信設(shè)置等，都能夠通過(guò)LCD顯示電路和按鍵電路完成。

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)支持多種存儲(chǔ)和通信方式，需要掉電保存的一些參數(shù)，存儲(chǔ)在E2PROM 芯片24C1024中，通過(guò)I2C總線與LPC2132連接通信；測(cè)試數(shù)據(jù)可以通過(guò)U盤電路保存在U盤中，也可以通過(guò)RS 485總線傳輸給上位機(jī)。

　　蓄電池組的總電壓和總電流測(cè)量，由LPC2132內(nèi)部A/D 模塊完成，外接信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路采用儀表放大器INA128UA 和低通濾波電路，將蓄電池電壓和電流信號(hào)信號(hào)幅度調(diào)理到A/D輸入的合適范圍，噪音干擾減小到最低，輸入A/D模塊，提高測(cè)量精度。

　　3 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　主機(jī)軟件是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)蓄電池的放電控制、電壓采集、存儲(chǔ)、分機(jī)采集控制、通信管理和上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。

　　程序開(kāi)發(fā)采用了ARM Developer Suite V1.2編譯系統(tǒng)。程序編譯后下載到ARM芯片LPC2132內(nèi)的FLASHROM中。代碼編寫采用模塊化設(shè)計(jì)，包括低層驅(qū)動(dòng)、用戶接口控件、用戶應(yīng)用三個(gè)類型的代碼，菜單管理，層次分明，實(shí)現(xiàn)菜單設(shè)置、放電控制、測(cè)試控制、存儲(chǔ)控制等功能，主機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

　　控制蓄電池放電并進(jìn)行測(cè)試是監(jiān)測(cè)儀的主要功能，需要完成本機(jī)放電、核對(duì)性放電和短時(shí)容量測(cè)試。本機(jī)放電時(shí)，為了準(zhǔn)確控制放電電流的大小，需要循環(huán)檢測(cè)實(shí)際電流大小，再與設(shè)定值比較，根據(jù)誤差通過(guò)PID計(jì)算來(lái)調(diào)節(jié)控制量，從而使得實(shí)際放電電流不斷逼近設(shè)定的放電電流，放電控制流程圖如圖4所示。

　　核對(duì)性放電，就是蓄電池放電要滿足一定條件，只有當(dāng)這些條件都滿足時(shí)才可以控制放電，有一個(gè)條件不滿足都會(huì)停止放電。這些條件大致可分為以下幾個(gè)：

　?。?）完成放電時(shí)間沒(méi)到；

　?。?）蓄電池每節(jié)電池電壓不低于最低電池電壓；

　?。?）蓄電池總電壓不低于設(shè)定的最低總電壓；

　?。?）蓄電池放電容量沒(méi)達(dá)到設(shè)定的允許放電容量值；

　?。?）用戶不強(qiáng)制終止放電。

　　蓄電池容量測(cè)試的方法有很多，最直接的方法是：對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，按照額定電流放電，測(cè)量出蓄電池按額定電流放電到終止電壓的時(shí)間，測(cè)出蓄電池容量。但這種方法存在著缺點(diǎn)，一是測(cè)到容量后，蓄電池電已經(jīng)放完；二是測(cè)試時(shí)間較長(zhǎng)。為克服這些缺點(diǎn)，監(jiān)測(cè)儀采用短時(shí)放電容量測(cè)試的方法用來(lái)測(cè)試容量，方法是：

　　對(duì)蓄電池進(jìn)行大電流放電10~20 min,監(jiān)測(cè)其放電電壓下降趨勢(shì)。由于電池容量和電壓有一定的關(guān)系，所以通過(guò)分析電壓下降趨勢(shì)，估算出容量下降的趨勢(shì)，進(jìn)而估算出電池容量，此種方法需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型，才能保證測(cè)試的準(zhǔn)確性。

　　4 測(cè)量界面與數(shù)據(jù)

　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要是核對(duì)性放電和短時(shí)容量測(cè)試采集的電壓、電流數(shù)值。核對(duì)性放電需要設(shè)置電池組類型、電池類型、電池?cái)?shù)量、放電電流、總終止電壓、單節(jié)終止電壓、放電容量、放電時(shí)間等參數(shù)。其中，電池組類型有24 V,48 V,110 V,220 V四種選擇。電池類型有2 V,4 V,6 V,12 V等選擇不同電流。

　　進(jìn)入到放電界面后，監(jiān)測(cè)儀等待1 min后才會(huì)開(kāi)始放電，主要是為了在放電前先測(cè)量各電池電壓，以便讓測(cè)試人員了解這組電池的狀況。然后，選擇核對(duì)性放電，進(jìn)入放電設(shè)置界面，如圖5所示，設(shè)置電池組類型為48 V,電池類型為2 V/1 000 A·H,電池?cái)?shù)量24節(jié)，放電電流100 A,放電終止電壓43 V,單節(jié)終止電壓1.83 V,放電容量100 A·H,放電時(shí)間1 h.

　　設(shè)置完畢后，進(jìn)入放電界面，電池組總電壓和電流測(cè)試結(jié)果示意圖如圖6所示，其中，電池容量是已放出的電池組的容量，已放電容量為40 A·H,電壓是電池組總電壓，為45.2 V,電流是實(shí)際放電電流，為5.5 A,最低電池電壓是指在放電過(guò)程中電壓最低的單節(jié)電池，16#電池的放電電壓為1.9 V.

　　進(jìn)入相關(guān)的頁(yè)面可以查看分機(jī)單體電池的放電情況，如圖7所示，顯示1#~8#電池的放電電壓。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　本文主要介紹了蓄電池性能監(jiān)測(cè)儀主機(jī)的電路結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，能夠很好地完成核對(duì)性放電和短時(shí)容量測(cè)試等蓄電池性能測(cè)試，具有測(cè)試精度高，操作簡(jiǎn)單靈活，可靠性好等特點(diǎn)，能夠很好的滿足蓄電池性能測(cè)試和維護(hù)的需要。（作者：劉彤）