怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)蓄電池組的在線多功能監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)？

1 引言

現(xiàn)代通訊設(shè)備及大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)電源系統(tǒng)的可靠性要求很高。目前大部分通訊用開(kāi)關(guān)電源及計(jì)算機(jī)用UPS 電源，都采用大功率蓄電池作為市電中斷時(shí)的后備電源系統(tǒng)，蓄電池組作為系統(tǒng)設(shè)備正常運(yùn)行的最后一道防線，對(duì)其進(jìn)行有效的在線監(jiān)測(cè)、放電和容量測(cè)試，為相關(guān)部門了解蓄電池組的性能提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，具有特殊的作用和意義。

本文以DS80C320 單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種在蓄電池組使用過(guò)程中對(duì)電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)、對(duì)蓄電池組進(jìn)行恒流放電和容量測(cè)試的多功能監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)主要有三大功能模塊： 在線參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊、恒流放電控制模塊和電池剩余容量*估模塊。

在線參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)對(duì)各蓄電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)采用光繼電器切換的方式依次獲取每只電池的電壓，每次接通一節(jié)電池（如圖1 所示），雙刀繼電器S1、S2 起倒相作用，以確保后級(jí)電路的極性一致;整個(gè)蓄電池組的電流則通過(guò)霍爾型電流傳感器采集;對(duì)電池溫度的測(cè)量是通過(guò)在電池表面安置溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)在線測(cè)得的電池溫度， 找出溫度異常的電池。研究表明，無(wú)論是恒流放電、限壓恒流充電還是浮充狀態(tài)，荷電量最小的電池溫度最高。

恒流放電控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的恒流放電，滿足蓄電池組的日常維護(hù)需要。

該模塊的原理是通過(guò)單片機(jī)控制相應(yīng)的負(fù)載來(lái)給蓄電池放電，難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)電流的連續(xù)可調(diào)性。本文采用的方法是： 采用若干路固定阻值的電阻， 使得每一路（K1~Kn）能夠?qū)崿F(xiàn)一固定的放電電流;另外再采用一路（K1’）阻值稍小的電阻，利用斬波原理，獲取一線性可調(diào)的放電電流（該路電流比其他幾路電流稍大） ， 通過(guò)對(duì)該路電流與其他幾路電流進(jìn)行組合，即可實(shí)現(xiàn)放電電流的連續(xù)可調(diào)， 如圖2 所示。

圖1 在線參數(shù)監(jiān)測(cè)原理

圖2 恒流放電控制原理

電池剩余容量*估模塊通過(guò)測(cè)試蓄電池的內(nèi)阻，*估蓄電池的剩余容量。

由于蓄電池的容量與電池內(nèi)阻存在很強(qiáng)的相關(guān)性，一般而言，電池的容量越大，內(nèi)阻就越小，因此可以通過(guò)對(duì)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量，對(duì)電池的容量進(jìn)行在線*估。

內(nèi)阻測(cè)量是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程， 目前常見(jiàn)的方法主要有密度法、開(kāi)路電壓法、交流法和直流放電法。密度法、開(kāi)路電壓法、交流法分別由于測(cè)量手段不合適、測(cè)量精度低及測(cè)量值為靜態(tài)值的原因，不適合作為蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量方法，本系統(tǒng)采用直流放電法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻， 通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電， 測(cè)量電池上的瞬間電壓降， 繪制出電池的放電曲線， 判斷曲線的變化率， 再結(jié)合用戶輸入的標(biāo)稱電壓和容量值， 得出蓄電池的狀態(tài)。實(shí)際試驗(yàn)證實(shí)： 當(dāng)檢測(cè)電流達(dá)到一定值時(shí)， 電池的負(fù)載電壓與實(shí)際容量有嚴(yán)格的線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件由三部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、電流/ 電壓和溫度采集電路、放電控制電路，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)由DS80C320、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤、液晶、擴(kuò)展的串行接口等組成。DS80C320是高性能的8 位CMOS 單片微型計(jì)算機(jī)，具有豐富的I/O 控制功能;片內(nèi)帶有3 個(gè)16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器;多個(gè)中斷源;2 個(gè)串口等。外部擴(kuò)展64KB 的程序存儲(chǔ)器AT29C512、32KB 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62256 以及512B 的EEPROM 參數(shù)存儲(chǔ)器AT24C04。系統(tǒng)采用22M 晶振、4 x 4 按鍵和5 英寸點(diǎn)陣式T F T 彩色液晶顯示模塊YD501。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，采用了MAXIM 公司的硬件看門狗芯片MAX813。

系統(tǒng)的采集部分采用高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器MAX197，它具有8 通道12 位轉(zhuǎn)換精度，單5V 供電，程序可選的輸入范圍：± 10V、± 5V、0~10V、0~5V，6us 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，100ksps 的采樣頻率，輸入多路開(kāi)關(guān)具有± 16.5V 的錯(cuò)誤輸入電壓保護(hù)， 自帶4. 096V 電壓基準(zhǔn)并可向外部提供， 內(nèi)部或外部時(shí)鐘， 兩種節(jié)點(diǎn)模式。

蓄電池溫度的采集采用的是Dallas 公司的數(shù)字溫度傳感器DS1*，它具有I 2C 總線，測(cè)量溫度范圍-55°C～＋ 125°C，具有0.03125℃的分辨率，最長(zhǎng)在1S 內(nèi)就可完成溫度的轉(zhuǎn)換， 單片機(jī)只需讀取13bi t 的轉(zhuǎn)換結(jié)果即可。用戶可在放電前設(shè)置好安全溫度，放電過(guò)程中系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度， 并與用戶設(shè)定值進(jìn)行比較， 一旦超出設(shè)定值， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止放電， 以防止大電流放電對(duì)蓄電池性能的進(jìn)一步損害。

系統(tǒng)的一路可調(diào)電流放電控制是利用斬波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)使用了TI 公司的脈寬調(diào)制器TL494 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MO S 開(kāi)關(guān)的控制， 它的工作頻率為1 k H z ～300kHz，輸出電壓達(dá)40V，輸出電流達(dá)200mA，輸出控制可選單端或推挽式。12 位D/A 轉(zhuǎn)換器MAX508 輸出模擬電壓控制PWM 控制器TL494 的第3 腳，則從TL494第9 和10 腳便會(huì)輸出脈沖寬度受控的方波，以此方波為控制信號(hào)去控制MOS 管開(kāi)關(guān)，結(jié)合電容和大功率電感便可實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的電流。其控制部分電路如圖4 所示。

圖4 PWM 控制電路。

本系統(tǒng)的特別之處是： 系統(tǒng)在CPU 的兩個(gè)串口基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)RS232 接口，一個(gè)用于連接PC 機(jī)，另一個(gè)用于級(jí)聯(lián)另一個(gè)本系統(tǒng)，這樣用戶就可通過(guò)PC 機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并可將系統(tǒng)內(nèi)存中記錄的數(shù)據(jù)讀取到PC 機(jī)，實(shí)時(shí)查看各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)電池組性能進(jìn)行監(jiān)控。

通過(guò)另一個(gè)RS232 口將兩個(gè)本系統(tǒng)級(jí)聯(lián)可以使放電電流最大達(dá)到800A，以滿足更大容量電池組的要求。

該系統(tǒng)適用于標(biāo)稱24V/ 48V 規(guī)格的蓄電池組， 主要性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的正常工作是硬件與軟件共同完成的。本系統(tǒng)下位機(jī)軟件采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，主要包括初始化模塊、主程序模塊、電壓/ 電流采集模塊、放電控制模塊、通訊模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、電池內(nèi)阻測(cè)量模塊。下位機(jī)主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 下位機(jī)主程序流程圖

4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)的使用現(xiàn)場(chǎng)具有大功率高頻開(kāi)關(guān)電源，電磁干擾比較嚴(yán)重。干擾的存在會(huì)影響整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性， 甚至?xí)?dǎo)致放電電流失控， 對(duì)蓄電池組及系統(tǒng)本身造成損壞，發(fā)生預(yù)想不到的事故。所以系統(tǒng)從軟件和硬件設(shè)計(jì)上都注重解決干擾問(wèn)題。

系統(tǒng)硬件抗干擾措施主要有：⑴重要的控制信號(hào)線采用光電隔離技術(shù); ⑵采用看門狗微處理器監(jiān)控芯片MAX813;⑶模擬地與數(shù)字地分開(kāi)，并通過(guò)電容與系統(tǒng)外殼相連;⑷兩個(gè)串口也采用光電隔離;⑸印制板在布局以及布線過(guò)程中區(qū)分了高頻與低頻部分，地線足夠?qū)?⑹各個(gè)電路模塊之間的信號(hào)線盡量短，并使用相互絞合的屏蔽線， 且屏蔽層良好接地。

系統(tǒng)軟件抗干擾措施主要有： ⑴采樣值取平均值，抑制突發(fā)干擾; ⑵設(shè)置軟件看門狗， 避免程序陷入死循環(huán)， 防止程序“跑飛”; ⑶采用軟件冗余技術(shù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

不同環(huán)境下的實(shí)際運(yùn)行表明， 采用8 位單片機(jī)DS80C320 為核心的蓄電池在線監(jiān)測(cè)維護(hù)系統(tǒng)，具有較高的測(cè)量精度， 根據(jù)電壓和內(nèi)阻綜合判斷蓄電池的性能，能準(zhǔn)確地反映蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)， 及時(shí)報(bào)告故障信息，友好的界面使得用戶能方便地察看系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)， 通過(guò)設(shè)置權(quán)限可以在線修改系統(tǒng)參數(shù)和進(jìn)行控制，取得了較好的應(yīng)用效果。