智能電池巡檢儀的設計及應用研究

張創奧，吳 暉，李云鵬，徐青鴻，方雯雯

（國網浙江省電力有限公司 樂清市供電公司，浙江 樂清 325600）

0 引 言

隨著生活生產用電量的增加，供電質量也在不斷提高。當供電系統發生故障時，需要給控制裝置、保護裝置提供備用電源，盡可能減少供電系統故障造成的損失。蓄電池組、充電機以及直流監控等構成的直流電源系統能夠在停電時為電力系統中的高、低壓用電設備提供電源，滿足供配電系統控制設備的用電需求[1]。蓄電池的單體電池電壓值較低，常常將單體電池串聯或者串并聯起來供電。當蓄電池組為供電系統提供電源時，各個蓄電池單體的工作特性就會存在差異，影響電源質量，不利于供配電控制設備的正常工作[2]。因此，本文設計了一種智能電池巡檢儀，監測各個單體蓄電池的充放電電流和充放電電壓等參數，并對實時獲取的參數數據進行處理和分析。

1 電池巡檢儀的總體結構

本文設計的電池巡檢儀主要包括電池巡檢儀節點、控制器以及局域網3個部分，其中局域網包括服務器和客戶端，總體結構如圖1所示[3]。電池巡檢儀的節點安裝在直流屏柜內，主要負責采集電池參數，并且通過無線通信技術將電池參數信號傳輸給電池巡檢儀控制器，供值班人員查看。電池巡檢儀控制器利用LCD顯示屏顯示電池巡檢儀節點采集到的電池相關參數，并且進行實時監控。服務器與客戶端主要用于保證系統相關參數信號的傳輸，讓工作人員遠程操作，實現無人值守。通過電池巡檢儀進行蓄電池的巡檢，可以避免人工操作錯誤造成短路、觸電和負載斷電等危險。

圖1 電池巡檢儀總體結構

2 系統硬件設計

本文設計的電池巡檢儀主要監測蓄電池組的充放電流和充放電壓，硬件框圖如圖2所示。系統的核心芯片采用Cortex-M4系列的STM32F407ZET6，譯碼電路芯片74HC154D和雙刀雙擲繼電器DS2Y-SDC5V構成18個電壓信號選通管理電路。

圖2 電池巡檢儀硬件框圖

2.1 微處理器的選擇

電池巡檢儀主要用于蓄電池運行狀態監測，要求主控微處理器具有成本低、功能強大以及能耗低等特點[4]。本系統選擇ST公司生產的32位微處理器STM32F407ZET6作為主控芯片，該主控芯片的內核是ARM32位的Cortex-M4 CPU，擁有412KB的Flash存儲器，能夠支持閃存、NOR、NAND存儲器等。另外，該芯片采用LQFP封裝方式，擁有144個引腳，其中140個引腳具有中斷能力，3個引腳的轉換速度超過2.4 MHz，能夠完全滿足本系統的功能需求。

2.2 蓄電池電壓采集設計

蓄電池電壓是否穩定也是評價蓄電池性能的關鍵要素，也應當納入蓄電池組日常檢測范圍。蓄電池電壓采集選通電路有兩個核心器件，一是譯碼電路芯片74HC154D，該芯片充當一個多路分配器，能夠輸入4個高有效地址，同時還能夠輸出16個低有效的互斥地址位。將該芯片的輸出端Y0～Y15依次置為低電平，接通以后蓄電池也將被依次選通，此時就可以對蓄電池的電壓進行切換控制。另一個是雙刀雙擲繼電器DS2Y-S-DC5V，當電路中某個繼電器被選通時，蓄電池組對應的電池正負端就會接入到繼電器的兩個端口，可以快速采集到該蓄電池電壓。將采樣獲取到的電壓值送入到差動輸入運算放大器電路，就可以得到該蓄電池的電壓值。由于流入運算放大器電路的正、負端電流相等、電阻比值相等，因此該方法采集到的各個電池電壓值的輸入值、輸出值與實際相符。另外，采用該方法來采集電壓能夠做到信號不被影響，讓測量結果更加準確。

在本設計中，電池巡檢儀節點所采集到的模擬信號將通過A/D模數轉換器轉化為數字信號。但是，蓄電池組的電壓大多為幾百伏，而數字信號的電壓值不大，如果將兩者共用電源必然相互影響。因此本設計將被測信號與電池巡檢儀節點的主控制隔絕，這樣可以避免兩者之間相互干擾，從而提高測量的準確率。

2.3 無線模塊硬件設計

本設計采用ZigBee無線模塊，將ZigBee無線模塊的USART接口與芯片74HC154D相連，通過無線通信信號實現數據傳輸。因此，當電池巡檢儀節點采集到蓄電池組信號時，就會通過ZigBee無線模塊將信號快速傳遞給控制器，控制器將信號實時傳輸到顯示器，同時進行數據分析，并快速啟動報警等功能。用戶也可以通過顯示屏查看歷史電壓信息和實時電壓信息等。

3 系統軟件設計

本系統的軟件開發在IAR Embedded Workbench IDE 6.0上進行，該軟件有許多現成的芯片類庫、工程文件模板，能夠直接調用相關的模板。同時，在該軟件基礎上能夠直接添加程序代表，提高開發效率，讓開發變得更加簡單。

3.1 電壓采樣模塊軟件設計

電壓采樣模塊的主要功能是采集蓄電池組的電壓，單體電池電壓采樣子程序能夠對各個蓄電池進行實時電壓檢測。在測量電壓之前，系統應當初始化，清零現有的測量值。在測量第一節電池電壓前，啟動A/D轉換前先配置A/D轉換通道，尤其是A/D轉換的速率、精度和工作方式，合理控制寄存器能夠選擇電壓測量通道[5]。系統會自動讀取ADC寄存器的值，更新譯碼器，讀取第一個蓄電池的電壓值，然后繼續讀取下一個蓄電池的電壓值。按照先后順序依次讀取完18個蓄電池的電壓值，并將相關電壓值通過ZigBee模塊傳送到巡檢儀控制器與上位機。控制器進行運算，如果檢測到超出預設電壓范圍的電壓值則發出報警信息。用戶也可以通過上位機查看各個蓄電池的電壓值，確保每個蓄電池的電壓值在規定的范圍內，避免影響到蓄電池組的正常工作。

3.2 無線通信模塊軟件設計

無線通信模塊用STM32F407ZET6作為主器件，ZICM2410作為從器件，用3線方式將芯片連接起來，實現數據的讀、寫和傳輸等功能。無線通信模塊能夠實現數據采集節點與控制器之間的雙向數據轉換，一方面可以將蓄電池巡檢儀各個節點采集到的模電數據轉化成數字信號，并將其傳輸給控制器。另一方面可以將控制器發出的信號轉化成供串口使用的數據，并將數據傳輸給節點。在蓄電池巡檢儀開始工作之前，GPIO、時鐘、SPI、DMA初始化。然后通過SPI通信接口將電池巡檢儀各個節點獲取到的數據通過無線模塊發送給ADC，同時在上位機顯示相關參數信息。按照該方法可以收集電池巡檢儀各節點獲取到的數據，有助于實時監控蓄電池的工作狀態。

4 系統調試

電池巡檢儀設計完成以后，應當對其進行調試，主要包括硬件調試、軟件調試以及軟硬件聯合聯調3個步驟。本系統采用模塊化設計，在整體測試之前應當分別對電壓采集模塊、溫度采集模塊、無線通信模塊等進行調試。調試完成以后，對整個系統進行整合調試，直到所有功能符合要求。

系統調試時，要采用循序漸進的方法。上電測試時，蓄電池的電壓應當逐漸升高，緩慢上調，避免過壓造成事故。在測試之前，應當檢查接線是否正確，不要出現錯接和漏接等情況。校正調試設備，確保設備運行正常，精度符合要求。在調試串行通信時，用485、232轉接頭將模塊與PC機相連，可以通過示波器等觀察電壓變化情況，同時連接顯示器觀察數據發送與接收情況。

當系統調試完成以后，系統就會顯示蓄電池組的工作狀況，如圖3所示。不僅可以查看每一個蓄電池的情況，還可以查看所有電池單體任意一個時間段的電壓狀態，以實時了解蓄電池的工作狀態。

圖3 電池巡檢儀故障報警

5 結 論

蓄電池組的正常工作是確保輸配電線路控制裝置和保護裝置正常運行的基礎，實時監控蓄電池組的工作狀態顯得十分重要。本文研究出有效、方便且快速的電池巡檢系統，監測各個單體蓄電池充放電電流和充放電電壓等參數，并且分析處理實時獲取的參數數據，對蓄電池組的單個蓄電池工作狀態做出準確判斷，有助于供電系統正常工作，提高供電質量。