智能蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的研制

　　1　引言

　　在電力系統(tǒng)的蓄電池組維護(hù)中，除了常規(guī)的對蓄電池均浮充充電管理外，還需要對蓄電池組的端電壓、單節(jié)電池電壓進(jìn)行巡檢；定期對蓄電池組進(jìn)行恒流放電試驗(yàn)，以檢驗(yàn)蓄電池組的容量；同時(shí)為了檢驗(yàn)電池組的瞬時(shí)大電流放電能力，還需要定期進(jìn)行大電流動態(tài)放電試驗(yàn)，測試每節(jié)電池的內(nèi)阻。

　　以前進(jìn)行靜態(tài)放電試驗(yàn)時(shí)采用的放電設(shè)備主要有可變電阻，碳棒，水槽等，為了維持放電電流恒定，需要人工或用繼電器切換調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，調(diào)節(jié)很不方便，而且穩(wěn)流特性也不好；

　　而且動態(tài)放電很難操作，有一定的危險(xiǎn)性。本文提出的智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)正是為了替代傳統(tǒng)的放電方式而進(jìn)行研制的。

　　2　智能檢測系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)

　　2．1系統(tǒng)的構(gòu)成

　　智能蓄電池檢測系統(tǒng)組成如圖1 所示。

　　放電模塊是蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的核心，綜合了電力電子和微機(jī)控制技術(shù)，主要完成蓄電池放電電流控制，放電參數(shù)的設(shè)置，顯示和通訊等功能；電池采樣模塊主要檢測蓄電池各節(jié)電池的電壓，與放電控制模塊通訊等功能，本文主要介紹放電模塊的研制。

　　2．2放電模塊的研制

　　圖2為放電模塊基本原理圖，包括功率電路，脈沖產(chǎn)生保護(hù)電路和微機(jī)控制電路三部分。

圖 2　放電模塊基本原理圖

　　2.2.1 功率電路的設(shè)計(jì)

　　從圖2可以看出，放電模塊功率電路由電感L1，電容C1構(gòu)成的EMI濾波器和MOS管Q1，Q2，續(xù)流二極管D1，輸出電感L2構(gòu)成BUCK型電路兩部分組成，Q1，Q2交替導(dǎo)通。R1為輸出電流檢測電阻，R2為輸入電流檢測電阻，RJ為放電負(fù)載。當(dāng)開關(guān)管Q1（Q2）導(dǎo)通時(shí)，蓄電池的放電電流從電池的正極經(jīng)過L1，Q1（Q2），L2，RJ和取樣電阻R1，R2流到蓄電池的負(fù)極，Q1（Q2）關(guān)斷后，負(fù)載電流通過L2，二極管D1續(xù)流。因此，可以通過控制MOS管Q1，Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比來達(dá)到維持輸入電流恒定的目的。

　　MOS管和續(xù)流二極管分別采用FAIRCHILD公司和IXYS公司產(chǎn)品，模塊的開關(guān)頻率為30kHz。

　　2.2.2 脈沖產(chǎn)生保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
　　
　　從圖2可以看出，脈沖產(chǎn)生保護(hù)電路的作用主要是產(chǎn)生控制MOS管Q1/Q2所需的脈沖，同時(shí)對輸入電壓，輸出電流等采樣信號進(jìn)行響應(yīng)的處理，出現(xiàn)故障時(shí)關(guān)斷Q1和Q2。在本方案中，PWM控制芯片采用的是UNITRODE 公司生產(chǎn)的UC3825電流型PWM控制芯片，UC3825內(nèi)含精確的5.1V電壓基準(zhǔn)，微功率啟動電路，軟啟動，高頻振蕩器，寬帶誤差放大器，快速電流限制器，雙脈沖控制邏輯和雙圖騰柱輸出驅(qū)動器，可用于電壓型或電流型控制，圖3為脈沖產(chǎn)生保護(hù)電路的框圖。

　　來自微機(jī)控制部分設(shè)定的電流指令信號送到誤差放大器2A的正端，輸入電流采樣信號IS通過放大器1A送入誤差放大器2A的負(fù)端，兩者進(jìn)行比較，差值信號送到電流型PWM控制芯片UC3825的IN+腳（2腳，同相輸入），UC3825輸出的OUTA（11腳），OUTB（12腳）信號再通過驅(qū)動電路分別送到MOS管Q1，Q2的G，S端，作為MOS管的驅(qū)動信號。當(dāng)電池端電壓或放電負(fù)載阻值發(fā)生變化時(shí)，自動調(diào)整OUTA，OUTB信號的脈沖寬度，進(jìn)而調(diào)整MOS管Q1的開通時(shí)間，保證蓄電池組放電輸出電流的恒定。當(dāng)出現(xiàn)輸入欠壓，輸出短路或模塊過熱時(shí)，綜合保護(hù)信號變?yōu)榈碗娖?，UC3825的SS腳（軟啟動腳）通過二極管D1放電，從而封閉UC3825的輸出，起到保護(hù)的作用。

　　2.2.3微機(jī)控制電路硬件和系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　微機(jī)控制電路主要完成監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的顯示以及與電池采樣模塊，上位機(jī)的通訊等功能。

　　■ 硬件設(shè)計(jì)

　　在本方案中，微處理器采用的TI公司生產(chǎn)的 MSP430F系列單片機(jī)，它是一種超低功耗，高性能的FLASH結(jié)構(gòu)系列單片機(jī)，具有16位精簡指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速ADC/Slope ADC,內(nèi)含60K字節(jié)FLASH ROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比較器、模擬信號，具有ESD保護(hù)，大大簡化了控制電路；通訊部分采用TI公司抗雷擊RS485收發(fā)器SN75LBC184芯片，具有熱關(guān)斷保護(hù)和ESD保護(hù)功能。

　　■ 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)軟件采用C語言編制，模塊化設(shè)計(jì)，包括初始化模塊，通訊模塊，定時(shí)中斷模塊，監(jiān)測模塊，顯示模塊，故障處理模塊等，主程序流程圖見圖4。

圖4 主程序流程圖

　　初始化模塊主要完成CPU功能模塊，通訊模塊和液晶顯示器等的初始化，各變量單元，各寄存器單元賦初值，讀取保存的信息；

　　監(jiān)測模塊主要完成放電電壓/電流的A/D轉(zhuǎn)換和靜態(tài)放電的監(jiān)測；

　　顯示模塊主要完成液晶顯示屏的處理；

　　故障處理模塊根據(jù)檢測的電池電壓信息和模塊本身提供的故障信號進(jìn)行故障判斷，在故障發(fā)生時(shí)去封鎖UC3825的PWM輸出脈沖，同時(shí)提供故障類型去顯示模塊。故障的類型包括蓄電池端電壓過低，單節(jié)電池電壓超限，過阻，模塊過熱或短路等；

　　定時(shí)中斷模塊包括定時(shí)器A_0,A_1,A_2和B_0 四個中斷服務(wù)程序，分別完成按鍵處理，通訊超時(shí)監(jiān)測，動態(tài)放電監(jiān)測和模塊時(shí)鐘的功能；

　　通訊模塊主要完成與電池采樣模塊或上位機(jī)的數(shù)據(jù)接受和發(fā)送。

　　3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　根據(jù)上述思路研制完成了220V/30A和110V/50A兩種智能蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)，表1為110V/50A系統(tǒng)樣機(jī)放電實(shí)測數(shù)據(jù),表2為實(shí)測的效率數(shù)據(jù).

　　4　結(jié)語

　　智能型蓄電池檢測系統(tǒng)具有操作簡單，穩(wěn)流精度高（1%），自動記錄每節(jié)電池端電壓（單節(jié)電壓檢測精度0.1%）等優(yōu)點(diǎn)，樣機(jī)研制成功后已投入批量生產(chǎn)，并已在幾個變電站中試運(yùn)行，可以完全替代原有傳統(tǒng)放電裝置，具有很好的應(yīng)用前景。


　　參考文獻(xiàn)

1.張占松，蔡宣三， 開關(guān)電源的原理與應(yīng)用，　電子工業(yè)出版社，1999年

2.胡大可, MSP430系列16位單片機(jī)原理與應(yīng)用，北京航空航天大學(xué)，2000年