蓄電池組在線監(jiān)測維護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

　　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、放電和容量測試，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程中對(duì)電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測、對(duì)蓄電池組進(jìn)行恒流放電和容量測試的多功能監(jiān)測維護(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。

　　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霍爾型電流傳感器采集;對(duì)電池溫度的測量是通過在電池表面安置溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)在線測得的電池溫度， 找出溫度異常的電池。研究表明，無論是恒流放電、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單片機(jī)控制相應(yīng)的負(fù)載來給蓄電池放電，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)測原理

　　圖2 恒流放電控制原理

　　電池剩余容量*估模塊通過測試蓄電池的內(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，因此可以通過對(duì)蓄電池內(nèi)阻的測量，對(duì)電池的容量進(jìn)行在線*估。

　　內(nèi)阻測量是一個(gè)比較復(fù)雜的過程， 目前常見的方法主要有密度法、開路電壓法、交流法和直流放電法。密度法、開路電壓法、交流法分別由于測量手段不合適、測量精度低及測量值為靜態(tài)值的原因，不適合作為蓄電池內(nèi)阻的測量方法，本系統(tǒng)采用直流放電法測量蓄電池內(nèi)阻， 通過對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電， 測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：單片機(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，測量溫度范圍-55°C～＋ 125°C，具有0.03125℃的分辨率，最長在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。