蓄電池組在線(xiàn)監測維護系統的研究與設計

　　現代通訊設備及大型計算機網(wǎng)絡(luò )系統對電源系統的可靠性要求很高。目前大部分通訊用開(kāi)關(guān)電源及計算機用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，蓄電池組作為系統設備正常運行的最后一道防線(xiàn)，對其進(jìn)行有效的在線(xiàn)監測、放電和容量測試，為相關(guān)部門(mén)了解蓄電池組的性能提供準確可靠的數據，具有特殊的作用和意義。

　　本文以DS80C320 單片機為核心，設計了一種在蓄電池組使用過(guò)程中對電流、電壓、溫度等參數進(jìn)行在線(xiàn)監測、對蓄電池組進(jìn)行恒流放電和容量測試的多功能監測維護系統。

2 系統工作原理

　　本系統主要有三大功能模塊： 在線(xiàn)參數監測模塊、恒流放電控制模塊和電池剩余容量*估模塊。

　　在線(xiàn)參數監測模塊實(shí)時(shí)對各蓄電池的電壓、電流、溫度進(jìn)行在線(xiàn)監測。

　　系統采用光繼電器切換的方式依次獲取每只電池的電壓，每次接通一節電池（如圖1 所示），雙刀繼電器S1、S2 起倒相作用，以確保后級電路的極性一致;整個(gè)蓄電池組的電流則通過(guò)霍爾型電流傳感器采集;對電池溫度的測量是通過(guò)在電池表面安置溫度傳感器實(shí)現的，根據在線(xiàn)測得的電池溫度， 找出溫度異常的電池。研究表明，無(wú)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)現對蓄電池組的恒流放電，滿(mǎn)足蓄電池組的日常維護需要。

　　該模塊的原理是通過(guò)單片機控制相應的負載來(lái)給蓄電池放電，難點(diǎn)在于如何實(shí)現電流的連續可調性。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）能夠實(shí)現一固定的放電電流;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(xiàn)性可調的放電電流（該路電流比其他幾路電流稍大） ， 通過(guò)對該路電流與其他幾路電流進(jìn)行組合，即可實(shí)現放電電流的連續可調， 如圖2 所示。

　　圖1 在線(xiàn)參數監測原理

　　圖2 恒流放電控制原理

　　電池剩余容量*估模塊通過(guò)測試蓄電池的內阻，*估蓄電池的剩余容量。

　　由于蓄電池的容量與電池內阻存在很強的相關(guān)性，一般而言，電池的容量越大，內阻就越小，因此可以通過(guò)對蓄電池內阻的測量，對電池的容量進(jìn)行在線(xiàn)*估。

　　內阻測量是一個(gè)比較復雜的過(guò)程， 目前常見(jiàn)的方法主要有密度法、開(kāi)路電壓法、交流法和直流放電法。密度法、開(kāi)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阻的測量方法，本系統采用直流放電法測量蓄電池內阻， 通過(guò)對電池進(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(xiàn)， 判斷曲線(xiàn)的變化率， 再結合用戶(hù)輸入的標稱(chēng)電壓和容量值， 得出蓄電池的狀態(tài)。實(shí)際試驗證實(shí)： 當檢測電流達到一定值時(shí)， 電池的負載電壓與實(shí)際容量有嚴格的線(xiàn)性對應關(guān)系。

3 系統設計

　　3.1 硬件設計

　　本系統的硬件由三部分組成：?jiǎn)纹瑱C最小系統、電流/ 電壓和溫度采集電路、放電控制電路，系統硬件結構如圖3 所示。

　　圖3 系統硬件結構框圖

　　單片機最小系統由DS80C320、時(shí)鐘電路、復位電路、鍵盤(pán)、液晶、擴展的串行接口等組成。DS80C320是高性能的8 位CMOS 單片微型計算機，具有豐富的I/O 控制功能;片內帶有3 個(gè)16 位定時(shí)器/ 計數器;多個(gè)中斷源;2 個(gè)串口等。外部擴展64KB 的程序存儲器AT29C512、32KB 的數據存儲器62256 以及512B 的EEPROM 參數存儲器AT24C04。系統采用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。為了增強系統的抗干擾性，采用了MAXIM 公司的硬件看門(mén)狗芯片MAX813。

　　系統的采集部分采用高精度的A/D 轉換器MAX197，它具有8 通道12 位轉換精度，單5V 供電，程序可選的輸入范圍：± 10V、± 5V、0~10V、0~5V，6us 的轉換時(shí)間，100ksps 的采樣頻率，輸入多路開(kāi)關(guān)具有± 16.5V 的錯誤輸入電壓保護， 自帶4. 096V 電壓基準并可向外部提供， 內部或外部時(shí)鐘， 兩種節點(diǎn)模式。

　　蓄電池溫度的采集采用的是Dallas 公司的數字溫度傳感器DS1*，它具有I 2C 總線(xiàn)，測量溫度范圍-55°C～＋ 125°C，具有0.03125℃的分辨率，最長(cháng)在1S 內就可完成溫度的轉換， 單片機只需讀取13bi t 的轉換結果即可。用戶(hù)可在放電前設置好安全溫度，放電過(guò)程中系統實(shí)時(shí)采集溫度， 并與用戶(hù)設定值進(jìn)行比較， 一旦超出設定值， 系統會(huì )自動(dòng)停止放電， 以防止大電流放電對蓄電池性能的進(jìn)一步損害。