湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)對蓄電池端電壓進(jìn)行測量，而能準(zhǔn)確反映蓄電池容量信息的蓄電池電導(dǎo)測試儀也只能做定期測量，不能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在故障的失效電池。這樣經(jīng)常容易導(dǎo)致蓄電池組中個(gè)別蓄電池的早期失效，失效的個(gè)別蓄電池在后備電池投入使用時(shí)，會嚴(yán)重影響整個(gè)電池組的放電容量，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)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(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。根據(jù)綜合參數(shù)判斷蓄電池的性能，實(shí)現(xiàn)自動巡回檢測、手動測試、定期放電等監(jiān)測功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)性能嚴(yán)重惡化的故障電池時(shí)會立即報(bào)警，為電池組“精細(xì)”維護(hù)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(jié)構(gòu)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(gè)復(fù)雜性的電化學(xué)反應(yīng)，再加上蓄電池使用環(huán)境的差異，其狀態(tài)檢測和失效預(yù)期診斷一直是蓄電池維護(hù)中的難題。至今還沒有一種簡單實(shí)用的方法對蓄電池的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)快速準(zhǔn)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(jié)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(shí)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(shí)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(jìn)行測量計(jì)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(jié)合對放電曲線的分析，本在線監(jiān)測儀采用多項(xiàng)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(fù)載放電，在很短時(shí)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×?xí)r間；(4)對以上諸參數(shù)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合計(jì)算判斷，可得出電池性能的準(zhǔn)確評估。在二種放電測量過程中，對高速采得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與我們設(shè)定的失效模式進(jìn)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(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)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(bào)警電路、ARM微控制器LPC2132等組成，其結(jié)構(gòu)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(gè)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(guān)等，由LPC2132的內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行分析處理，測量數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)顯示，個(gè)別電池出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)報(bào)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(yùn)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(shè)計(jì)

(1)ARM微控制器LPC2132

LPC2132是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。其內(nèi)部集成了8路10位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器、2個(gè)32位的定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器，支持在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)，支持低功耗模式。

(2)數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)

對蓄電池進(jìn)行檢測的關(guān)鍵在于對蓄電池參數(shù)采樣的精確程度，因而采樣電路設(shè)計(jì)得是否適當(dāng)對整個(gè)系統(tǒng)至關(guān)重要。由驅(qū)動板輸入的8路模擬信號經(jīng)運(yùn)算放大器后，經(jīng)模擬開關(guān)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(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。而溫度測量是單獨(dú)分配的一個(gè)采樣通道，負(fù)責(zé)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(shè)計(jì)每組一個(gè)采集通道，利用模擬開關(guān)或繼電器進(jìn)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(jìn)行掃描查詢，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)查看、手動檢測等功能。還能對運(yùn)行參數(shù)如電池個(gè)數(shù)、電壓標(biāo)準(zhǔn)值、電流報(bào)警值、容量標(biāo)準(zhǔn)值、放電時(shí)間等進(jìn)行在線修改。

(4)通訊電路

為方便存儲和調(diào)用每次檢測數(shù)據(jù)，本監(jiān)測儀還設(shè)計(jì)了串行接口單元用來進(jìn)行與上位機(jī)之間的通信，上位機(jī)可通過監(jiān)控軟件來監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)。LPC2132擁有兩個(gè)符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步收發(fā)器UART0和UARTl，允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。使用了MAX232芯片進(jìn)行RS232電平的轉(zhuǎn)換，MAX232芯片內(nèi)置一個(gè)電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)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(guān)外圍設(shè)備的初始化)、主要參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)換、中斷服務(wù)、參數(shù)修正、串行通訊等程序，整個(gè)參數(shù)檢測過程的流程如圖3所示。

5.結(jié)束語

不同環(huán)境下的實(shí)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(zhǔn)確，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組存在的早期故障電池，準(zhǔn)確判斷電池當(dāng)前的運(yùn)行狀況，能有效地對蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測，及時(shí)報(bào)告故障信息，友好的界面使得用戶能方便地察看系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)，通過設(shè)置權(quán)限，可以在線修改系統(tǒng)參數(shù)和進(jìn)行控制，取得了較好的應(yīng)用效果。

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