分布式蓄電池智能節點(diǎn)設計具體細則

　　引言

　　一般電源設備只能對電池組的整體輸出電壓和電流進(jìn)行測量，對于單塊電池不能進(jìn)行在線(xiàn)測量。而電池組的失效又往往是從單塊電池失效開(kāi)始的一種惡性循環(huán)，尤其對于使用時(shí)間較長(cháng)但又不超過(guò)使用期限的電池組，單純依靠維護人員的日常維護很難發(fā)現問(wèn)題。因此，對于單塊電池的運行參數進(jìn)行在線(xiàn)監控，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題就變得極為重要。

　　單塊電池的損壞首先表現在端電壓在充電時(shí)過(guò)高而在放電時(shí)又迅速下降，電池體溫升高，負載能力下降等異?，F象?？梢酝ㄟ^(guò)對電池的端電壓、體溫等參數的在線(xiàn)測量及時(shí)發(fā)現故障電池。

　　早期的蓄電池在線(xiàn)監控采用集中監控方法，或是基于RS-232(或RS-485)總線(xiàn)的分散采集、集中監控的分布式測量方法。這些方法只能采用主從式系統結構，以輪詢(xún)方式收集數據。這是因為RS-232和RS-485總線(xiàn)只是一種純粹的物理接口，不具有主動(dòng)協(xié)調能力。CAN總線(xiàn)是一種多主機控制局域網(wǎng)標準，具有物理層和數據鏈路層的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、多主節點(diǎn)、無(wú)損仲裁、高可靠性及擴充性能好等特點(diǎn)。下面給出一種基于CAN總線(xiàn)的分布式蓄電池在線(xiàn)監控系統。

　　系統組成

　　系統由上位機、RS-232-CAN接口和智能節點(diǎn)組成，如圖1所示。



圖1 分布式蓄電池在線(xiàn)監控系統功能示意圖

　　上位機由普通微機組成，接收各節點(diǎn)的監控數據，建立電池組運行數據庫，對采集到的電池數據進(jìn)行處理(如記錄電池的履歷、采集數據的時(shí)間等)并以表格或圖形的方式輸出顯示，對整個(gè)系統的運行狀況進(jìn)行管理等。

　　RS-232-CAN接口為CAN總線(xiàn)與上位機的接口，完成CAN總線(xiàn)數據與RS-232接口的數據轉換，對智能節點(diǎn)來(lái)的數據信息進(jìn)行緩存，對告警信號進(jìn)行告警以通知維護人員進(jìn)行處理。

　　智能節點(diǎn)為智能型的監控模塊，實(shí)現對電池組內(總電壓48V，單塊電壓12V或2V)的單塊電池端電壓、體溫、環(huán)境溫度進(jìn)行測量。若超出工作范圍則進(jìn)行告警，并將監測數據存儲，定期上報監控數據。超限告警信號及時(shí)上報，并可接受上位機的輪詢(xún)。下面僅就智能節點(diǎn)給出詳細的設計方案。

硬件組成

　　智能監控節點(diǎn)以89C52為控制器，外圍模塊包括CAN接口模塊、溫度測量模塊、電壓測量模塊、告警模塊、節點(diǎn)地址選擇和可選的存儲器模塊等，如圖2所示。為充分利用89C52的接口資源，除CAN接口模塊外其余模塊均采用串行接口器件，這樣就減小了電路體積，降低了電路的硬件成本。



圖2智能監控節點(diǎn)結構圖

CAN接口模塊

　　CAN總線(xiàn)協(xié)議及其特性見(jiàn)參考文獻。目前，具有CAN協(xié)議功能的芯片很多，本設計選用常見(jiàn)的PHLIPLE公司的SJA1000獨立CAN控制器芯片和82C250 CAN接口驅動(dòng)芯片。為增強節點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000的TX0和RX0通過(guò)高速光耦6N137與82C250相連，電路如圖3所示。



圖3 CAN接口模塊原理圖

電壓測量模塊

　　當蓄電池是由4節12V電池串接而成時(shí)，其在線(xiàn)端電壓遠高于A(yíng)DC的允許輸入電壓，所以對電壓的采集電路要進(jìn)行特別設計：將串連電池組的各節電池端電壓經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)分別引入分壓電路進(jìn)行分壓處理，再經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換后送入ADC的差分輸入端，轉換后的電壓數字量輸出到單片機的PI口。

　　ADC選用National Semiconductor的ADC0838。 該器件是一種輸入端可編程、單端8通道/差分4通道、8位串行ADC，其數據輸入輸出口可以分時(shí)共用。

　　模擬開(kāi)關(guān)選用MAXIM的MAX4613。它是一種四路單刀單擲TTL/CMOS兼容的模擬開(kāi)關(guān)，可單端供電(9~40V)也可雙端供電(±4.5~±20V)，與電池組的連接 采用“浮地”方式：每個(gè)MAX4613控制兩節電池的選通，電源和地分別取兩節電池串連后的正極和負極。由于MAX4613的S1、S4和S2、S3的控制極性相反，所以不能采用譯碼電路，而由單片機的四個(gè)I
/O口線(xiàn)經(jīng)光耦隔離后單獨驅動(dòng)，以保證同時(shí)只有一路電池電壓接入后級的分壓電路。另外，其控制端采用CMOS電平(VL接V+)。

　　分壓電路采用三個(gè)相同的電阻，分壓后的電壓約為4V左右。由于使用同一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò )，避免了由于分壓網(wǎng)絡(luò )的差異引起各路間的誤差。同時(shí)模擬轉換器采用差分輸入從而減少了共模干擾和避免了“浮地”引起的電壓不兼容的問(wèn)題。如果對2V電池采樣，可以用6個(gè)CD4052模擬開(kāi)關(guān)控制各節電池的選通，每個(gè)CD4052控制4節電池，由兩個(gè)I/O口線(xiàn)經(jīng)光耦隔離后驅動(dòng)兩個(gè)地址選擇端，另三個(gè)I/O口線(xiàn)經(jīng)74LS138譯碼后分別控制六個(gè)CD4052的使能端(INH)。

溫度測量模塊

　　溫度測量模塊采用美國DALLAS公司推出的DS18S20系列單總線(xiàn)數字溫度計，只需要一根導線(xiàn)就可將單片機和DS18S20連接起來(lái)，如圖4所示。每個(gè)I/O口線(xiàn)可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18S20。

軟件的實(shí)現

　　軟件設計采用模塊化編程，系統軟件主要分為主程序、數據采集(電壓、溫度)處理程序和通訊程序。

　　主程序為系統控制程序, 實(shí)現對系統進(jìn)行初始化(包括系統自檢、讀取本節點(diǎn)地址、電池組電池電壓種類(lèi)、向上位機發(fā)送本節點(diǎn)的地址、接收上位機發(fā)送的本節點(diǎn)的基準電壓值和溫度值)和各模塊軟件的總體調度。

　　數據采集處理程序包括電壓采集和溫度采集。由于DS18S20的溫度轉換時(shí)間較長(cháng)(750ms)，所以每次采集先進(jìn)行溫度轉換、電壓采集，再進(jìn)行溫度的采集。溫度轉換和電壓采集同步進(jìn)行。每一輪采集后要將數據進(jìn)行處理，判斷是否超過(guò)限定值。若正常則判斷是否采集了5次，若不是則再次進(jìn)行采集。這是因為數據的變換是緩慢的，如果正常就沒(méi)有必要每次都將數據上報，以減少CAN總線(xiàn)上的數據量；若到了5次或數據超限，則對數據打包上傳，進(jìn)入CAN通信階段。

　　CAN通信程序負責將采集到的數據發(fā)送到CAN控制器，再由CAN控制器負責將數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)。主要的子程序有：CAN初始化、CAN發(fā)送、CAN接收、ADC子程序，DS1820的復位、啟動(dòng)、ROM的搜索、讀寫(xiě)等。其中CAN初始化、發(fā)送和接收子程序、DS1820的復位、啟動(dòng)、ROM搜索、讀寫(xiě)等可參閱后面的參考文獻，ADC的轉換子程序詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站。


結語(yǔ)

　　分布式蓄電池智能監測系統智能化程度高、測量準確、能及時(shí)發(fā)現蓄電池組存在的早期故障。其智能監控節點(diǎn)可以作為對一個(gè)臺站的多組電池實(shí)現分散采集、集中監控的一個(gè)組成部分進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)使用，也可以作為開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)附屬部分與開(kāi)關(guān)電源配套使用。CAN接口可以用RS-232接口代替，以和現有的開(kāi)關(guān)電源的控制主機聯(lián)接，提高現有電源的性能。