蓄電池組充放電集散控制系統的設計

　　隨著(zhù)高科技及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，大存儲容量的蓄電池組能源系統已經(jīng)越來(lái)越被人們所重視，在諸如電動(dòng)汽車(chē)、大功率UPS、電廠(chǎng)及變電站直流系統、通信系統等很多領(lǐng)域中都得到廣泛應用。

　　蓄電池組是由一定數量的單體電池串聯(lián)組成的，在使用過(guò)程中可能會(huì )有百次直至千次的充、放電。各單體蓄電池過(guò)充電、過(guò)放電或者放電不足均易引起電池的故障，某個(gè)單體蓄電池的故障也會(huì )導致整個(gè)蓄電池組的故障和損壞。因此，在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測蓄電池組充放電各單體蓄電池的充放電電壓、充放電時(shí)的溫升以及整個(gè)蓄電池組的充放電電流、電壓等參數，及時(shí)找出損壞或性能顯著(zhù)降低的蓄電池，對于延長(cháng)電池的使用壽命、降低成本特別是提高直流供電系統的可靠性至關(guān)重要。鑒于上述情況，我們研制了蓄電池組充、放電集散控制系統，它克服了早期的集中采集檢測方法中布線(xiàn)多、線(xiàn)路長(cháng)，浪費人力物力又易引入干擾的缺點(diǎn)，同時(shí)CAN總線(xiàn)多主節點(diǎn)、高可靠性以及擴充性好等特點(diǎn)使得該系統具有較好的控制性能和廣泛的應用前景。

　　系統的組成及工作原理

　　CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN (Controller Area Network)總線(xiàn)屬于現場(chǎng)總

　　線(xiàn)的范疇，是由德國B(niǎo)OSH公司為分布式系統在強電磁干擾環(huán)境下可靠工作而設計的一種串行通信網(wǎng)絡(luò )，它具有如下顯著(zhù)特點(diǎn)：

　　(1)多主方式工作，各節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò )上的其它節點(diǎn)發(fā)送信息而不分主從，且無(wú)需站地址等節點(diǎn)信息，利用這一特點(diǎn)可方便地構成多機備份系統；

　　(2)采用獨特的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節點(diǎn)優(yōu)先傳送數據，能滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)性要求；

　　(3)廣播式數據通信，采用CSMA /CD協(xié)議進(jìn)行總線(xiàn)控制及數據通信。當節點(diǎn)向網(wǎng)上發(fā)送數據時(shí)，其它節點(diǎn)都同時(shí)收到數據，具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數據的功能；

　　(4)高傳輸可靠性，總線(xiàn)上每幀有效字節數最多為8 個(gè)，并有CRC及其它校驗措施，數據出錯率極低，且在某一節點(diǎn)出現嚴重錯誤時(shí)可自動(dòng)脫離總線(xiàn)，使總線(xiàn)上的其它操作不受影響；

　　(5)特別適合于網(wǎng)絡(luò )化智能設備，最高速率可至1Mbps，此時(shí)通信距離為40m，通信速率選擇5kbps時(shí)，通信距離可長(cháng)達10km，可根據實(shí)際需要選擇使用。CAN總線(xiàn)只有兩根導線(xiàn)，系統擴充時(shí)直接將新節點(diǎn)掛接在總線(xiàn)上即可，系統容易實(shí)現冗余設計。所以從適用性、可靠性和低成本的角度考慮，本系統中我們選擇了CAN總線(xiàn)來(lái)構成底層通信網(wǎng)絡(luò )。

　　集散控制系統的基本結構及工作原理

　　系統由上位機(通用PC機，帶CAN接口適配卡) ，n個(gè)智能電壓、溫度等數據采集節點(diǎn)單元(具體個(gè)數隨單體蓄電池數而定，但最多不超過(guò)110-2 = 108個(gè)) ， 1個(gè)現場(chǎng)智能電壓、電流監控顯示報警節點(diǎn)單元及CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )組成，其系統結構如圖1所示。

　　圖1：集散控制系統結構框圖

　　系統中的每個(gè)節點(diǎn)都以INTEL80C196KC單片機為核心，配以PH IL IPS半導體公司的SJA1000獨立CAN控制器和PCA82C250CAN收發(fā)器構成。PC機和CAN控制器之間采用雙口RAMIDT7132作為雙向數據傳送通道?，F場(chǎng)智能電壓電流監控顯示報警節點(diǎn)單元另采用北京青云創(chuàng )新科技發(fā)展有限公司的液晶顯示模塊LCM320240ZK和簡(jiǎn)易鍵盤(pán)，用于顯示各智能檢測節點(diǎn)單元發(fā)送來(lái)的現場(chǎng)數據和向各智能檢測節點(diǎn)單元發(fā)送簡(jiǎn)短的PID調節等控制命令。智能電壓、溫度檢測節點(diǎn)單元則配以相應的電壓、電流、溫度傳感器及相應的處理電路，以完成電壓、電流及溫度信號的采集工作。

　　圖1中的各個(gè)智能電壓、溫度檢測節點(diǎn)單元分別安裝固定于各單體蓄電池旁，具有相同的硬件結構。其主要功能是采集各單體蓄電池的充放電電壓，蓄電池在充放電過(guò)程中的溫升等現場(chǎng)數據，經(jīng)過(guò)濾波和相應變換后通過(guò)CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )送到上位機和現場(chǎng)監控顯示報警節點(diǎn)單元；現場(chǎng)智能電壓、電流監控顯示報警節點(diǎn)單元負責檢測蓄電池組充放電電壓、電流，接收各智能檢測節點(diǎn)單元發(fā)來(lái)的經(jīng)濾波、變換等處理后的現場(chǎng)數據，對主要參數進(jìn)行顯示、存儲，完成對蓄電池組充放電電壓、電流的數字P ID調節控制，并對各單體蓄電池進(jìn)行故障診斷、鎖定和報警，其數據交換也是通過(guò)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )送到上位機。CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )部分主要由CAN總線(xiàn)通信介質(zhì)和相應的通信軟件組成。本系統通信介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，負載連接在CANH和CANL之間，終端匹配阻抗值為信號的特征阻抗值，約為120Ω。

　　節點(diǎn)單元硬件設計

　　節點(diǎn)單元工作原理

　　本系統中存在現場(chǎng)智能電壓電流監控顯示報警節點(diǎn)單元和智能電壓、溫度檢測節點(diǎn)單元等不同類(lèi)型的節點(diǎn)，但其核心電路基本類(lèi)似，只是外圍接口電路和傳感器等采集電路有所區別。以帶有監控顯示報警的節點(diǎn)單元為例，其結構框圖如圖2所示。

現場(chǎng)蓄電池充放電交直流電壓、電流、溫度等模擬量經(jīng)濾波、整形后，通過(guò)多路轉換開(kāi)關(guān)進(jìn)入80C196KC的A /D轉換口，由單片機定時(shí)采樣并完成A /D轉換；開(kāi)關(guān)量輸入經(jīng)過(guò)光耦、緩沖器進(jìn)入單片機的I/O口，單片機通過(guò)對I/O口的檢測和數值處理產(chǎn)生相應的動(dòng)作如聲光報警、關(guān)閉充放電電源模塊、繼電器動(dòng)作等；單片機將A /D轉換后的數據與設定參數進(jìn)行比較和數字計算，由高速輸出口HSO完成PWM輸出，經(jīng)隔離、整形、濾波處理后送出PID調節信號，可對充放電電壓、電流進(jìn)行控制；由于外圍接口電路較多，用8155對單片機I/O 口進(jìn)行了擴展，通過(guò)鍵盤(pán)和液晶可上、下、前、后翻屏查看監控信息(充放電電源狀態(tài)、蓄電池狀態(tài)、充放電曲線(xiàn)等)和更改系統參數設置(電壓、電流閾值、溫度補償系數等) ；為進(jìn)行CAN總線(xiàn)通信和與上位機數據交換，節點(diǎn)單元還設置了CAN通信接口電路和RS232串行通信接口電路。

　　CAN總線(xiàn)接口電路

　　節點(diǎn)單元CAN總線(xiàn)部分硬件電路原理圖如圖3所示。節點(diǎn)單元CAN總線(xiàn)接口由獨立控制器SJA1000和CAN控制器接口芯片82C250 組成。SJA1000 作為微控制器的片外擴展芯片，其

　　系統軟件設計

　　本系統的軟件由兩部分組成：上位機PC機軟件和節點(diǎn)單元軟件。PC機軟件在Windows環(huán)境下用組態(tài)軟件產(chǎn)生友好的人機界面，實(shí)時(shí)讀取各節點(diǎn)單元所傳送的數據，拼裝后在畫(huà)面上顯示，通過(guò)畫(huà)面能及時(shí)了解各蓄電池的工作特性、工作狀態(tài)，對不符合要求的蓄電池發(fā)出報警信號，以便及時(shí)處理，找出蓄電池的最佳工作點(diǎn)，保證蓄電池充放電系統的正常工作，提高蓄電池組充放電的工作效率。節點(diǎn)單元軟件包括自檢程序、多路A /D轉換濾波處理程序、數字PID調節程序、LCD顯示程序和通信程序等模塊，采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，仿真調試脫機模擬后固化于EPROM內。

圖3：節點(diǎn)單元CAN總線(xiàn)通信接口電路圖

　　節點(diǎn)單元主程序

　　節點(diǎn)單元主程序流程圖如圖4所示，完成對A/D轉換結果的數據分析， I/O口數字開(kāi)關(guān)量的處理、調用蓄電池充放電參數調整程序、CAN總線(xiàn)通信程序和鍵盤(pán)、LCD顯示程序等。其中數據分析包括蓄電池組的充放電電壓、電流比較、浮充電壓判斷、低壓切除電壓閾值調整等；I/O數字開(kāi)關(guān)量處理包括對開(kāi)關(guān)量的判斷、報警等。

圖4：節點(diǎn)單元主程序流程圖

圖5：CAN總線(xiàn)通信初始化流程圖

　　通信程序

　　CAN總線(xiàn)通信程序主要由三部分組成，即初始化程序、發(fā)送程序和接收程序。初始化程序主要完成CAN控制器工作方式的選擇，即對CAN控制器控制段中的寄存器寫(xiě)控制字。

　　本系統采用SJA1000，即在系統復位模式下完成如圖5的初始化流程。信息從CAN控制器發(fā)送到CAN總線(xiàn)或從CAN總線(xiàn)到CAN接收緩沖區都是由CAN總線(xiàn)控制器SJA1000自動(dòng)完成的，發(fā)送和接收中斷處理流程圖分別如圖6、圖7所示。

圖6：CAN總線(xiàn)通信發(fā)送程序流程圖

圖7：CAN總線(xiàn)通信接收程序流程圖

　　液晶顯示程序

　　液晶顯示程序框架如圖8所示。帶中文字庫的大點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊LCM320240ZK每屏可顯示300個(gè)字符，且可以清晰顯示蓄電池組充放電電壓、電流、V/I特性等曲線(xiàn)。首屏監控子菜單內容包括當前時(shí)間、交流電壓、電流、負載電壓、電流、環(huán)境溫度、單體蓄電池溫度、均浮充狀態(tài)等參數。在首屏上按功能選擇鍵啟動(dòng)或復位可進(jìn)入主菜單屏，包括電池狀態(tài)監控、充放電參數控制以及故障報警等子菜單，利用光標移動(dòng)可選擇要查看的子菜單。屏間信息的轉換、屏內光標的移動(dòng)和參數的增減通過(guò)上、下、左、右和確定按鍵組合實(shí)現。

圖8：液晶顯示程序流程圖

　　結　語(yǔ)

　　基于CAN總線(xiàn)的蓄電池組充放電集散控制系統充放電參數檢測控制實(shí)時(shí)性好、抗干擾性強且易于升級，對于提高直流供電系統的可靠性，減輕工作人員的勞動(dòng)強度，減少維護工作的盲目性具有重要的參考價(jià)值。