智能蓄電池監測系統的研制

　　1　引言

　　在電力系統的蓄電池組維護中，除了常規的對蓄電池均浮充充電管理外，還需要對蓄電池組的端電壓、單節電池電壓進(jìn)行巡檢；定期對蓄電池組進(jìn)行恒流放電試驗，以檢驗蓄電池組的容量；同時(shí)為了檢驗電池組的瞬時(shí)大電流放電能力，還需要定期進(jìn)行大電流動(dòng)態(tài)放電試驗，測試每節電池的內阻。

　　以前進(jìn)行靜態(tài)放電試驗時(shí)采用的放電設備主要有可變電阻，碳棒，水槽等，為了維持放電電流恒定，需要人工或用繼電器切換調節負載電阻，調節很不方便，而且穩流特性也不好；

　　而且動(dòng)態(tài)放電很難操作，有一定的危險性。本文提出的智能蓄電池組監測系統正是為了替代傳統的放電方式而進(jìn)行研制的。

　　2　智能檢測系統的構成與設計

　　2．1系統的構成

　　智能蓄電池檢測系統組成如圖1 所示。

　　放電模塊是蓄電池在線(xiàn)監測系統的核心，綜合了電力電子和微機控制技術(shù)，主要完成蓄電池放電電流控制，放電參數的設置，顯示和通訊等功能；電池采樣模塊主要檢測蓄電池各節電池的電壓，與放電控制模塊通訊等功能，本文主要介紹放電模塊的研制。

　　2．2放電模塊的研制

　　圖2為放電模塊基本原理圖，包括功率電路，脈沖產(chǎn)生保護電路和微機控制電路三部分。

圖 2　放電模塊基本原理圖

　　2.2.1 功率電路的設計

　　從圖2可以看出，放電模塊功率電路由電感L1，電容C1構成的EMI濾波器和MOS管Q1，Q2，續流二極管D1，輸出電感L2構成BUCK型電路兩部分組成，Q1，Q2交替導通。R1為輸出電流檢測電阻，R2為輸入電流檢測電阻，RJ為放電負載。當開(kāi)關(guān)管Q1（Q2）導通時(shí)，蓄電池的放電電流從電池的正極經(jīng)過(guò)L1，Q1（Q2），L2，RJ和取樣電阻R1，R2流到蓄電池的負極，Q1（Q2）關(guān)斷后，負載電流通過(guò)L2，二極管D1續流。因此，可以通過(guò)控制MOS管Q1，Q2的導通和關(guān)斷的時(shí)間比來(lái)達到維持輸入電流恒定的目的。

　　MOS管和續流二極管分別采用FAIRCHILD公司和IXYS公司產(chǎn)品，模塊的開(kāi)關(guān)頻率為30kHz。

　　2.2.2 脈沖產(chǎn)生保護電路的設計
　　
　　從圖2可以看出，脈沖產(chǎn)生保護電路的作用主要是產(chǎn)生控制MOS管Q1/Q2所需的脈沖，同時(shí)對輸入電壓，輸出電流等采樣信號進(jìn)行響應的處理，出現故障時(shí)關(guān)斷Q1和Q2。在本方案中，PWM控制芯片采用的是UNITRODE 公司生產(chǎn)的UC3825電流型PWM控制芯片，UC3825內含精確的5.1V電壓基準，微功率啟動(dòng)電路，軟啟動(dòng)，高頻振蕩器，寬帶誤差放大器，快速電流限制器，雙脈沖控制邏輯和雙圖騰柱輸出驅動(dòng)器，可用于電壓型或電流型控制，圖3為脈沖產(chǎn)生保護電路的框圖。

　　來(lái)自微機控制部分設定的電流指令信號送到誤差放大器2A的正端，輸入電流采樣信號IS通過(guò)放大器1A送入誤差放大器2A的負端，兩者進(jìn)行比較，差值信號送到電流型PWM控制芯片UC3825的IN+腳（2腳，同相輸入），UC3825輸出的OUTA（11腳），OUTB（12腳）信號再通過(guò)驅動(dòng)電路分別送到MOS管Q1，Q2的G，S端，作為MOS管的驅動(dòng)信號。當電池端電壓或放電負載阻值發(fā)生變化時(shí)，自動(dòng)調整OUTA，OUTB信號的脈沖寬度，進(jìn)而調整MOS管Q1的開(kāi)通時(shí)間，保證蓄電池組放電輸出電流的恒定。當出現輸入欠壓，輸出短路或模塊過(guò)熱時(shí)，綜合保護信號變?yōu)榈碗娖?，UC3825的SS腳（軟啟動(dòng)腳）通過(guò)二極管D1放電，從而封閉UC3825的輸出，起到保護的作用。

　　2.2.3微機控制電路硬件和系統軟件設計

　　微機控制電路主要完成監測系統參數的設置，數據的顯示以及與電池采樣模塊，上位機的通訊等功能。

　　■ 硬件設計

　　在本方案中，微處理器采用的TI公司生產(chǎn)的 MSP430F系列單片機，它是一種超低功耗，高性能的FLASH結構系列單片機，具有16位精簡(jiǎn)指令結構，內含12位快速ADC/Slope ADC,內含60K字節FLASH ROM，2K字節RAM，片內資源豐富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比較器、模擬信號，具有ESD保護，大大簡(jiǎn)化了控制電路；通訊部分采用TI公司抗雷擊RS485收發(fā)器SN75LBC184芯片，具有熱關(guān)斷保護和ESD保護功能。

　　■ 系統軟件設計

　　本系統軟件采用C語(yǔ)言編制，模塊化設計，包括初始化模塊，通訊模塊，定時(shí)中斷模塊，監測模塊，顯示模塊，故障處理模塊等，主程序流程圖見(jiàn)圖4。

圖4 主程序流程圖

　　初始化模塊主要完成CPU功能模塊，通訊模塊和液晶顯示器等的初始化，各變量單元，各寄存器單元賦初值，讀取保存的信息；

　　監測模塊主要完成放電電壓/電流的A/D轉換和靜態(tài)放電的監測；

　　顯示模塊主要完成液晶顯示屏的處理；

　　故障處理模塊根據檢測的電池電壓信息和模塊本身提供的故障信號進(jìn)行故障判斷，在故障發(fā)生時(shí)去封鎖UC3825的PWM輸出脈沖，同時(shí)提供故障類(lèi)型去顯示模塊。故障的類(lèi)型包括蓄電池端電壓過(guò)低，單節電池電壓超限，過(guò)阻，模塊過(guò)熱或短路等；

　　定時(shí)中斷模塊包括定時(shí)器A_0,A_1,A_2和B_0 四個(gè)中斷服務(wù)程序，分別完成按鍵處理，通訊超時(shí)監測，動(dòng)態(tài)放電監測和模塊時(shí)鐘的功能；

　　通訊模塊主要完成與電池采樣模塊或上位機的數據接受和發(fā)送。

　　3　實(shí)驗數據

　　根據上述思路研制完成了220V/30A和110V/50A兩種智能蓄電池監測系統，表1為110V/50A系統樣機放電實(shí)測數據,表2為實(shí)測的效率數據.

　　4　結語(yǔ)

　　智能型蓄電池檢測系統具有操作簡(jiǎn)單，穩流精度高（1%），自動(dòng)記錄每節電池端電壓（單節電壓檢測精度0.1%）等優(yōu)點(diǎn)，樣機研制成功后已投入批量生產(chǎn)，并已在幾個(gè)變電站中試運行，可以完全替代原有傳統放電裝置，具有很好的應用前景。


　　參考文獻

1.張占松，蔡宣三， 開(kāi)關(guān)電源的原理與應用，　電子工業(yè)出版社，1999年

2.胡大可, MSP430系列16位單片機原理與應用，北京航空航天大學(xué)，2000年