樂毅成，于水英，付志超

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.湖北長海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070）

鉛酸蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樂毅成1，2，于水英2，付志超1，2

（1.武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064；2.湖北長海新能源科技有限公司，湖北鄂州 436070）

針對發(fā)電廠或工業(yè)系統(tǒng)中需要提供穩(wěn)定性 DC220V直流電源，研制了采用鉛酸電池組成的直流電源系統(tǒng)。本文介紹了鉛酸電池電源系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和使用方式；詳細(xì)描述了鉛酸蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)。實(shí)踐表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，檢測精準(zhǔn)，滿足鉛酸電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

鉛酸蓄電池 直流電源系統(tǒng) 監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

直流電源系統(tǒng)是發(fā)電廠或工業(yè)系統(tǒng)中常用的電源系統(tǒng)，一般作為UPS電源、控制系統(tǒng)主電源、甚至一些動(dòng)力設(shè)備的供電電源，特別是在一些不允許斷電的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)中至關(guān)重要，因此，鉛酸蓄電池直流系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性在工業(yè)系統(tǒng)中涉及到重大經(jīng)濟(jì)效益。

本文介紹直流220 V鉛酸蓄電池電源系統(tǒng)的蓄電池組及其監(jiān)控系統(tǒng)，蓄電池組采用110塊型號為DFM-360鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，其中16只蓄電池串聯(lián)成1小組，14只蓄電池串聯(lián)1小組，110塊電池由6小組16只蓄電池組串聯(lián)加上1小組14只蓄電池串聯(lián)，共7小組電池串聯(lián)；監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測每塊電池的電壓和溫度，監(jiān)測鉛酸蓄電池狀態(tài)數(shù)據(jù)并通過CAN總線上傳給上層管理系統(tǒng)，控制直流蓄電池組充放電。

1 蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)

蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)用于蓄電池組的實(shí)時(shí)檢測，在正常運(yùn)行模式下，通過檢測指定蓄電池的工作電壓和溫度，提供電池的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)給上位機(jī)，便于上級平臺進(jìn)行動(dòng)力源監(jiān)控和管理。在電池組充電模式下，通過檢測指定蓄電池的工作電壓和溫度，提供蓄電池的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)給充電機(jī)，使得充電機(jī)對充電狀態(tài)下的電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證充電安全進(jìn)行。

蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)由一體化工控機(jī)、7個(gè)電壓溫度采集模塊、電源模塊及線纜等組成，如圖 1所示。一體化工控機(jī)作為監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互載體，安裝了電池參數(shù)監(jiān)測軟件，承載了與電壓溫度采集模塊進(jìn)行信息交互，同時(shí)將蓄電池組中 7個(gè)電壓溫度采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；對蓄電池組電壓和溫度參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，判讀電池的工作狀況，并對故障或落后電池進(jìn)行報(bào)警和指示；對電池組狀態(tài)進(jìn)行顯示、存儲及與上級進(jìn)行信息交互。電壓溫度檢測模塊采用模塊化插件結(jié)構(gòu)，具有體積小、重量輕、功耗低的特點(diǎn)，每個(gè)模塊最多可以同時(shí)檢測16路電壓和溫度，通過CAN總線將檢測數(shù)據(jù)與外部進(jìn)行交互；電源模塊將外部提供的兩路電源AC220V和DC24V進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的DC24V電源，保證電源的可靠性。

2 蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)主要硬件包括：一體化工業(yè)機(jī)、電壓溫度采集模塊、電源模塊及線纜。根據(jù)系統(tǒng)集成要求，一體化工控機(jī)、電源模塊是采用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，電壓溫度采集模塊根據(jù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)開發(fā)。

電壓溫度采集模塊是鉛酸電池組現(xiàn)場檢測設(shè)備，核心是DSP處理器芯片TMS320F2812，主要涉及硬件資源有：16路電壓采集、16路溫度采集、CAN總線通信，如圖2所示。檢測16塊鉛酸電池的電壓和溫度狀態(tài)，并經(jīng)過初步信息處理，通過CAN通信傳輸給上級系統(tǒng)。

DSP2812控制器模擬輸入量信號資源有限，只有8路ADCINA接口和8路ADCINB接口，對于電壓溫度采集模塊的資源需求，很難滿足要求，針對通道數(shù)量少，采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)。電壓信號采集電路：采用16個(gè)光耦選擇芯片AQW214將外部電壓隔離引入，通過 4-16譯碼器SN74HC154DW選通相應(yīng)的AQW214，將相應(yīng)的電壓引入電路，進(jìn)行電壓信號差分轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過濾波、限壓等再引入 DSP2812模擬量輸入采集，通過實(shí)際測量和校準(zhǔn)，最后系統(tǒng)電壓測量精度達(dá)到10 mV。

溫度信號采集電路：溫度傳感器采用PT1000，溫度范圍0…+150℃，當(dāng)溫度為0℃時(shí)，電阻值為 1000±0.60Ω，當(dāng)溫度范圍在 0～100℃時(shí)，電阻值變換為3.85Ω/℃。選用PT1000傳感器即保證了測量范圍，又使每攝氏度相應(yīng)電阻值易于測量，電路設(shè)計(jì)和分辨更簡單。電路設(shè)計(jì)時(shí)將PT1000與一個(gè)固定電阻串聯(lián)，16路溫度信號需要16個(gè)PT1000，將電阻信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過芯片 CD4067B選通相應(yīng)的電壓信號，然后經(jīng)過濾波、限壓等再引入DSP2812模擬量輸入采集，通過實(shí)際測量和校準(zhǔn)，最后系統(tǒng)電壓測量精度達(dá)到1℃。

3 蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1蓄電池組參數(shù)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

一體化工控機(jī)作為蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺，內(nèi)裝專用蓄電池組參數(shù)監(jiān)控軟件，電池組參數(shù)監(jiān)控軟件采用在 LabVIEW 平臺下開發(fā)，LabVIEW包含了大量的工具與函數(shù)，用于數(shù)據(jù)采集、分析、顯示與存儲，它在測試、測量和自動(dòng)化等領(lǐng)域具有更大的優(yōu)勢，滿足軟件設(shè)計(jì)需求，電池參數(shù)監(jiān)控軟件主界面如圖3所示。該軟件設(shè)計(jì)最多能接通8個(gè)電壓溫度采集模塊，顯示128只電池的電壓和溫度檢測參數(shù)；電池組的最高電壓值及電池號、最低電壓值及電池號、最高溫度值及電池號、最低溫度值及電池號、平均電壓值、環(huán)境溫度；電池電壓波形顯示、電池溫度波形顯示、電池電量波形顯示；電池組狀態(tài)顯示、警告狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、故障狀態(tài)等顯示。

3.2 電壓溫度采集模塊軟件設(shè)計(jì)

電壓溫度采集模塊硬件是采用 DSP2812，相應(yīng)的控制軟件采用CCStudio v3.3平臺開發(fā)，該軟件系統(tǒng)是一個(gè)嵌入式的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，程序主要功能包括：初始化模塊、電壓溫度信號采集模塊、通訊接口模塊，其軟件流程框圖如圖4所示。

電壓溫度采集模塊硬件設(shè)計(jì)同時(shí)采集電壓和溫度信號，16路電壓信號和16路溫度信號通過片選芯片分時(shí)選擇采集，然后進(jìn)行硬件濾波處理；軟件設(shè)計(jì)同步采集電壓信號和溫度信號，每個(gè)通道定時(shí)中斷采樣10次，然后采用濾去最大值、最小值，取中間平均值的方法進(jìn)行軟件濾波，再對電壓和溫度信號進(jìn)行校準(zhǔn)，對電壓、溫度信號進(jìn)行數(shù)字變換處理，得到實(shí)際值；采集16路電壓溫信號需要16次輪詢。

4 結(jié)論

本文介紹了鉛酸電池直流電源系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)和使用方式；討論了直流DC220V蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)；詳細(xì)描述了鉛酸蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)；實(shí)踐表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足鉛酸電池監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

［1]顧衛(wèi)鋼.手把手教你學(xué)DSP:基于TMS320X281X［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

［2]胡斌，吉玲，胡松.電子工程師必備［M］:九大系統(tǒng)電路識圖寶典.北京:人民郵電出版社，2012.

［3]陳堅(jiān)，康勇.電力電子學(xué):電力電子變換和控制技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2011.

［4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2007.

［5]任潤柏，周荔丹，姚鋼.TMS 320 F28X源碼解讀［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

Design of Monitoring System for Lead-acid Batteries

Le Yicheng1，2， Yu Shuiying2， Fu Zhichao1，2
（1. Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion， Wuhan 430064， China； 2. Hubei Greatsea New Power Technology Co.，ltd，Ezhou 436070， Hubei ， China）

In view of the need for providing a stable DC220V power for power plant or industrial systems，the monitoring system to the DC power supply for lead-acid batteries is presented including its composition，structure， the main functions， hardware structure in detail. Practice shows that the monitoring system works stably， reliably， and accurately， and can meet the designing demands of monitoring and controlling the DC power supply for lead-acid batteries.

lead-acid batteries； DC power system； monitoring system

TM912

A

1003-4862（2016）07-0047-03

2016-03-15作者簡介：樂毅成（1973-），男，高級工程師。研究方向：化學(xué)電源技術(shù)。