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        基于LPC2132的蓄電池在線監(jiān)測儀的研究

        2013-04-23 05:16:54湖南鐵道職業(yè)技術學院電氣工程系劉紅兵
        電子世界 2013年2期
        關鍵詞:監(jiān)測儀蓄電池電池

        湖南鐵道職業(yè)技術學院電氣工程系 劉紅兵

        1.引言

        蓄電池在線監(jiān)測儀主要用于鐵路牽引變電站、通訊機房及UPS電源的蓄電池狀態(tài)監(jiān)測及分析,是以電池內(nèi)阻、端電壓為主要監(jiān)測參數(shù),對電池性能狀態(tài)進行監(jiān)測的電池故障在線監(jiān)測系統(tǒng)[1]。但目前蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測儀器都是在浮充狀態(tài)下實現(xiàn)對蓄電池端電壓進行測量,而能準確反映蓄電池容量信息的蓄電池電導測試儀也只能做定期測量,不能實時在線監(jiān)測,無法及時發(fā)現(xiàn)存在故障的失效電池。這樣經(jīng)常容易導致蓄電池組中個別蓄電池的早期失效,失效的個別蓄電池在后備電池投入使用時,會嚴重影響整個電池組的放電容量,甚至會導致整個供電系統(tǒng)的崩潰,給用戶企業(yè)造成極大的損失。本文基于低功耗、高性能和低成本的嵌入式ARM7TDMT核微控制器芯片LPC2132而設計的蓄電池在線監(jiān)測儀是以蓄電池內(nèi)阻、蓄電池端電壓、蓄電池組總電壓、蓄電池組總電流和蓄電池組所在環(huán)境的溫度為主要監(jiān)測參數(shù),對電池性能、狀態(tài)進行實時監(jiān)測。根據(jù)綜合參數(shù)判斷蓄電池的性能,實現(xiàn)自動巡回檢測、手動測試、定期放電等監(jiān)測功能,當發(fā)現(xiàn)性能嚴重惡化的故障電池時會立即報警,為電池組“精細”維護提供可靠依據(jù)。

        圖1 蓄電池的放電曲線

        圖2 系統(tǒng)的總體結構框圖

        2.蓄電池監(jiān)測儀的檢測方法

        由于蓄電池的充放電過程是一個復雜性的電化學反應,再加上蓄電池使用環(huán)境的差異,其狀態(tài)檢測和失效預期診斷一直是蓄電池維護中的難題。至今還沒有一種簡單實用的方法對蓄電池的當前運行狀態(tài)快速準確判定。蓄電池具有的放電曲線,如圖1所示。從電池的放電曲線,可以得出以下結論:(1)相同的放電曲線反映了相同的電池性能;(2)用一較大電流的放電沖擊,可在短時間得到一明顯的下跌曲線,測得動態(tài)的電池內(nèi)阻,對同廠家同規(guī)格的電池測得的內(nèi)阻值將反映出電池性能的差異;(3)對同一電池,隨著循環(huán)次數(shù)和使用時間的增加,曲線也將明顯發(fā)生變化,可作為電池性能及壽命的評估判據(jù);(4)通過對蓄電池的恒電流放電曲線進行測量計算,我們即可對直流系統(tǒng)中蓄電池的工作狀態(tài)作出判斷。

        圖3 主程序流程圖

        結合對放電曲線的分析,本在線監(jiān)測儀采用多項檢測方法:(1)巡測蓄電池組每節(jié)電池電壓,以檢測蓄電池的充放電狀態(tài);(2)大電流(>100A)沖擊負載放電,在很短時間測得電池瞬間的放電曲線,并得出內(nèi)阻值:內(nèi)阻=蓄電池電動勢-蓄電池電壓放電電流;(3)靜態(tài)小電流恒流放電,測得電池容量:蓄電池容量=放電電流×時間;(4)對以上諸參數(shù)用計算機進行綜合計算判斷,可得出電池性能的準確評估。在二種放電測量過程中,對高速采得的數(shù)據(jù)進行分析與我們設定的失效模式進行比較得出了對每一電池性能的差別。

        3.蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)設計

        3.1 系統(tǒng)的總體結構設計

        整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集電路、溫度傳感器、液晶顯示電路、聲光報警電路、ARM微控制器LPC2132等組成,其結構框圖如圖2所示。系統(tǒng)以ARM微控制器LPC2132為核心,數(shù)據(jù)采集電路不斷循環(huán)采集各個單體電池電壓、總電壓及環(huán)境溫度,經(jīng)差分放大、模擬開關等,由LPC2132的內(nèi)置模數(shù)轉換器進行A/D轉換,然后進行分析處理,測量數(shù)據(jù)能夠實時顯示,個別電池出現(xiàn)異常時能夠及時報警。系統(tǒng)自帶64kB的嵌入的高速Flash非易失性數(shù)據(jù)存儲器,能記錄采樣值及蓄電池運行狀態(tài),且能通過RS-232通訊接口把數(shù)據(jù)上傳。

        3.2 系統(tǒng)主要電路的設計

        (1)ARM微控制器LPC2132

        LPC2132是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-S CPU,并帶有64kB嵌入的高速Flash存儲器,128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。其內(nèi)部集成了8路10位分辨率的A/D轉換器、1個10位的D/A轉換器、2個32位的定時器/外部事件計數(shù)器,支持在系統(tǒng)編程(ISP)和在應用編程(IAP),支持低功耗模式。

        (2)數(shù)據(jù)采集電路的設計

        對蓄電池進行檢測的關鍵在于對蓄電池參數(shù)采樣的精確程度,因而采樣電路設計得是否適當對整個系統(tǒng)至關重要。由驅動板輸入的8路模擬信號經(jīng)運算放大器后,經(jīng)模擬開關選通后,再經(jīng)電壓跟隨器,由LPC2132內(nèi)置8路10位高精度的自校準模數(shù)轉換器進行A/D轉換。而溫度測量是單獨分配的一個采樣通道,負責對環(huán)境溫度的監(jiān)控。各路蓄電池參數(shù)檢測采用相同的采集通道分別采樣,而不是設計每組一個采集通道,利用模擬開關或繼電器進行切換采樣。這樣不但保證了數(shù)據(jù)采集精度一致,而且避免了因頻繁切換測量通道造成的儀器工作不可靠。

        (3)LCD顯示及鍵盤模塊

        LCD選用TM240128A大屏幕液晶顯示器,能顯示15行20列中文信息,包括:巡檢狀態(tài)顯示、單節(jié)電壓查詢、放電狀態(tài)顯示、單組放電查詢、故障顯示及查詢等。鍵盤模塊采用程序查詢方式,通過IO口進行掃描查詢,實現(xiàn)參數(shù)設置、狀態(tài)查看、手動檢測等功能。還能對運行參數(shù)如電池個數(shù)、電壓標準值、電流報警值、容量標準值、放電時間等進行在線修改。

        (4)通訊電路

        為方便存儲和調用每次檢測數(shù)據(jù),本監(jiān)測儀還設計了串行接口單元用來進行與上位機之間的通信,上位機可通過監(jiān)控軟件來監(jiān)視設備的狀態(tài)。LPC2132擁有兩個符合16C550工業(yè)標準的異步收發(fā)器UART0和UARTl,允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。使用了MAX232芯片進行RS232電平的轉換,MAX232芯片內(nèi)置一個電壓轉換器,只需輸入5V電壓就可得到RS232接口所需的電壓。

        4.軟件設計流程

        軟件設計所需要完成的功能主要包括系統(tǒng)初始化(包括系統(tǒng)自檢、相關外圍設備的初始化)、主要參數(shù)設置(包括蓄電池的性能參數(shù)、通訊參數(shù)以及測量參數(shù))、鍵盤和LCD液晶顯示管理、A/D轉換、中斷服務、參數(shù)修正、串行通訊等程序,整個參數(shù)檢測過程的流程如圖3所示。

        5.結束語

        不同環(huán)境下的實踐證明,采用32位ARM-7TDMI-S LPC2132為核心的蓄電池在線監(jiān)測儀智能化程度高,測量準確,能及時發(fā)現(xiàn)蓄電池組存在的早期故障電池,準確判斷電池當前的運行狀況,能有效地對蓄電池進行實時在線檢測,及時報告故障信息,友好的界面使得用戶能方便地察看系統(tǒng)運行的實時參數(shù),通過設置權限,可以在線修改系統(tǒng)參數(shù)和進行控制,取得了較好的應用效果。

        [1]桂長清.閥控鉛酸蓄電池組的均勻性[J].通訊電源技術,2001(3).

        [2]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005.

        [3]李芳培.鉛酸蓄電池健康診斷中的內(nèi)阻測量法研究[D].南京航空航天大學,2009.

        [4]楊培君.基于LPC2368的低壓配電智能監(jiān)控系統(tǒng)設計[D].西安電子科技大學,2011.

        [5]郭亮.蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].山西大學,2011.

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