智能蓄電池性能監(jiān)測儀主機的設計與實現(xiàn)

摘 要： 為了測量鐵路車輛用蓄電池的放電性能，采用以ARM芯片為核心，設計蓄電池性能監(jiān)測儀。監(jiān)測儀能夠針對多種類型蓄電池實現(xiàn)核對性放電、短時容量測試和數(shù)據(jù)管理等功能，著重給出監(jiān)測儀主機的電路結構以及軟件設計，給出實際測試界面。經(jīng)過對鐵路車輛蓄電池的實際測試，滿足對蓄電池性能測試的要求。

關鍵詞： 蓄電池； 核對性放電； 短時容量測試； PID

中圖分類號： TN914?34； TP273 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）17?0093?03

0 引 言

蓄電池組廣泛應用于電力、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)。在蓄電池維護過程中，需要對蓄電池的性能準確、及時的測量，提前判斷電池的質(zhì)量，找出落后電池，并加以處理和維護[1]。本文針對蓄電池充放電過程，設計一種智能監(jiān)測系統(tǒng)，能夠完成多種規(guī)格單體電池和蓄電池組的核對性放電實驗、蓄電池容量測試、停電后在線監(jiān)測蓄電池容量及充電電壓檢測和數(shù)據(jù)管理功能。本文著重介紹監(jiān)測系統(tǒng)的主機模塊的電路結構和軟件設計。

1 系統(tǒng)概述

監(jiān)測系統(tǒng)主要由主機模塊、采集分機模塊和上位機數(shù)據(jù)管理模塊等組成，系統(tǒng)結構圖如圖1所示。主機模塊是監(jiān)測系統(tǒng)的核心，負責蓄電池放電控制、本機數(shù)據(jù)顯示、采集分機的管理和與上位機的通信，測量電池組電壓、電流和容量等任務；采集分機模塊負責單體電池電壓和電流的測量，并通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳遞給主機；上位機對蓄電池數(shù)據(jù)進行分析、處理，實現(xiàn)綜合管理。蓄電池放電過程中，主機模塊通過總線控制采集分機模塊測量各電池電壓并讀回電壓值，以實現(xiàn)監(jiān)測功能。與此同時，主機還將各電池電壓、總電壓、總電流等數(shù)據(jù)實時傳給PC機，PC機的軟件又可對放電數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測。放電結束后，數(shù)據(jù)還將保存到主機內(nèi)部E2PROM中，用戶可以直接查看數(shù)據(jù)，也可通過U盤轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)后到PC上分析數(shù)據(jù)。

2 主機電路結構

主機模塊以ARM芯片LPC2132[2]為核心，擴展外圍電路構成，電路結構如圖2所示，對蓄電池放電進行控制，測量蓄電池總電壓和總電流。LPC2132是32位ARM7TDMI?STM CPU，具有很強的數(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，簡化了電路設計。監(jiān)測儀采用新型PTC陶瓷電阻作為蓄電池放電負載，避免了紅熱現(xiàn)象，安全可靠無污染，LPC2132擴展I/O接口連接放電控制板，MOSFET與PTC電阻串聯(lián)[3]，放電控制板控制MOSFET控制蓄電池流過PTC電阻上的放電電流。

主機模塊通過LCD液晶顯示器和按鍵構成人機交互電路。LCD12864液晶顯示器能夠顯示4×8個漢字，通過總線與ARM芯片連接，檢測儀的操作、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)顯示、通信設置等，都能夠通過LCD顯示電路和按鍵電路完成。

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

蓄電池組的總電壓和總電流測量，由LPC2132內(nèi)部A/D模塊完成，外接信號調(diào)理電路，信號調(diào)理電路采用儀表放大器INA128UA和低通濾波電路[4]，將蓄電池電壓和電流信號信號幅度調(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，提高測量精度。

3 主機軟件設計

主機軟件是監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計的核心部分，負責蓄電池的放電控制、電壓采集、存儲、分機采集控制、通信管理和上位機數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿誟5]。

程序開發(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FLASH ROM中。代碼編寫采用模塊化設計，包括低層驅(qū)動、用戶接口控件、用戶應用三個類型的代碼，菜單管理，層次分明，實現(xiàn)菜單設置、放電控制、測試控制、存儲控制等功能，主機軟件功能結構示意圖如圖3所示。

控制蓄電池放電并進行測試是監(jiān)測儀的主要功能，需要完成本機放電、核對性放電和短時容量測試[6]。本機放電時，為了準確控制放電電流的大小，需要循環(huán)檢測實際電流大小，再與設定值比較，根據(jù)誤差通過PID計算來調(diào)節(jié)控制量[7]，從而使得實際放電電流不斷逼近設定的放電電流，放電控制流程圖如圖4所示。

核對性放電，就是蓄電池放電要滿足一定條件，只有當這些條件都滿足時才可以控制放電，有一個條件不滿足都會停止放電[8]。這些條件大致可分為以下幾個：

（1）完成放電時間沒到；

（2）蓄電池每節(jié)電池電壓不低于最低電池電壓；

（3）蓄電池總電壓不低于設定的最低總電壓；

（4）蓄電池放電容量沒達到設定的允許放電容量值；

（5）用戶不強制終止放電。

蓄電池容量測試的方法有很多，最直接的方法是：對蓄電池進行放電，按照額定電流放電，測量出蓄電池按額定電流放電到終止電壓的時間，測出蓄電池容量[9]。但這種方法存在著缺點，一是測到容量后，蓄電池電已經(jīng)放完；二是測試時間較長。為克服這些缺點，監(jiān)測儀采用短時放電容量測試的方法用來測試容量[10]，方法是：對蓄電池進行大電流放電10～20 min，監(jiān)測其放電電壓下降趨勢。由于電池容量和電壓有一定的關系，所以通過分析電壓下降趨勢，估算出容量下降的趨勢，進而估算出電池容量，此種方法需要進行大量數(shù)據(jù)實驗，建立數(shù)學模型，才能保證測試的準確性。

4 測量界面與數(shù)據(jù)

監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要是核對性放電和短時容量測試采集的電壓、電流數(shù)值。核對性放電需要設置電池組類型、電池類型、電池數(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。

進入到放電界面后，監(jiān)測儀等待1 min后才會開始放電，主要是為了在放電前先測量各電池電壓，以便讓測試人員了解這組電池的狀況。然后，選擇核對性放電，進入放電設置界面，如圖5所示，設置電池組類型為48 V，電池類型為2 V/1 000 A·H，電池數(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，放電時間1 h。

設置完畢后，進入放電界面，電池組總電壓和電流測試結果示意圖如圖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，電流是實際放電電流，為5.5 A，最低電池電壓是指在放電過程中電壓最低的單節(jié)電池，16#電池的放電電壓為1.9 V。

進入相關的頁面可以查看分機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 語

本文主要介紹了蓄電池性能監(jiān)測儀主機的電路結構和軟件設計，能夠很好地完成核對性放電和短時容量測試等蓄電池性能測試，具有測試精度高，操作簡單靈活，可靠性好等特點，能夠很好的滿足蓄電池性能測試和維護的需要。

參考文獻

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作者簡介： 劉 彤 男，1972年出生，工程師，工學碩士。主要研究領域為控制理論與控制工程。