蓄電池性能監測儀主機的電路結構和軟件設計及蓄電池性能測試分析

引言

蓄電池組廣泛應用于電力、通信、金融、鐵路等行業，作為可靠的后備電源，為各行業提供直流或交流不間斷電源系統。在蓄電池維護過程中，需要對蓄電池的性能準確、及時的測量，提前判斷電池的質量，找出落后電池，并加以處理和維護。本文針對蓄電池充放電過程，設計一種智能監測系統，能夠完成多種規格單體電池和蓄電池組的核對性放電實驗、蓄電池容量測試、停電后在線監測蓄電池容量及充電電壓檢測和數據管理功能。本文著重介紹監測系統的主機模塊的電路結構和軟件設計。

1 系統概述

監測系統主要由主機模塊、采集分機模塊和上位機數據管理模塊等組成，系統結構圖如圖1所示。主機模塊是監測系統的核心，負責蓄電池放電控制、本機數據顯示、采集分機的管理和與上位機的通信，測量電池組電壓、電流和容量等任務；采集分機模塊負責單體電池電壓和電流的測量，并通過網絡將數據傳遞給主機；上位機對蓄電池數據進行分析、處理，實現綜合管理。蓄電池放電過程中，主機模塊通過總線控制采集分機模塊測量各電池電壓并讀回電壓值，以實現監測功能。與此同時，主機還將各電池電壓、總電壓、總電流等數據實時傳給PC 機，PC 機的軟件又可對放電數據進行實時監測。放電結束后，數據還將保存到主機內部E2PROM中，用戶可以直接查看數據，也可通過U盤轉存數據后到PC上分析數據。

2 主機電路結構

主機模塊以ARM芯片LPC2132為核心，擴展外圍電路構成，電路結構如圖2所示，對蓄電池放電進行控制，測量蓄電池總電壓和總電流。LPC2132 是32 位ARM7TDMI-STM CPU,具有很強的數據處理能力，配置了豐富的接口資源，內部多通道10位精度A/D接口，完全滿足電池電壓、電流數據的采集精度要求，不需要增加外圍A/D 芯片，簡化了電路設計。監測儀采用新型PTC 陶瓷電阻作為蓄電池放電負載，避免了紅熱現象，安全可靠無污染，LPC2132擴展I/O 接口連接放電控制板，MOSFET 與PTC 電阻串聯，放電控制板控制MOS-FET控制蓄電池流過PTC電阻上的放電電流。

主機模塊通過LCD液晶顯示器和按鍵構成人機交互電路。LCD12864 液晶顯示器能夠顯示4×8 個漢字，通過總線與ARM 芯片連接，檢測儀的操作、參數設置、數據顯示、通信設置等，都能夠通過LCD顯示電路和按鍵電路完成。

監測系統支持多種存儲和通信方式，需要掉電保存的一些參數，存儲在E2PROM 芯片24C1024中，通過I2C總線與LPC2132連接通信；測試數據可以通過U盤電路保存在U盤中，也可以通過RS 485總線傳輸給上位機。

蓄電池組的總電壓和總電流測量，由LPC2132內部A/D 模塊完成，外接信號調理電路，信號調理電路采用儀表放大器INA128UA 和低通濾波電路，將蓄電池電壓和電流信號信號幅度調理到A/D輸入的合適范圍，噪音干擾減小到最低，輸入A/D模塊，提高測量精度。

3 主機軟件設計

主機軟件是監測系統軟件設計的核心部分，負責蓄電池的放電控制、電壓采集、存儲、分機采集控制、通信管理和上位機數據傳輸等任務。

程序開發采用了ARM Developer Suite V1.2編譯系統。程序編譯后下載到ARM芯片LPC2132內的FLASHROM中。代碼編寫采用模塊化設計，包括低層驅動、用戶接口控件、用戶應用三個類型的代碼，菜單管理，層次分明，實現菜單設置、放電控制、測試控制、存儲控制等功能，主機軟件功能結構示意圖如圖3所示。

控制蓄電池放電并進行測試是監測儀的主要功能，需要完成本機放電、核對性放電和短時容量測試。本機放電時，為了準確控制放電電流的大小，需要循環檢測實際電流大小，再與設定值比較，根據誤差通過PID計算來調節控制量，從而使得實際放電電流不斷逼近設定的放電電流，放電控制流程圖如圖4所示。

核對性放電，就是蓄電池放電要滿足一定條件，只有當這些條件都滿足時才可以控制放電，有一個條件不滿足都會停止放電。這些條件大致可分為以下幾個：

（1）完成放電時間沒到；

（2）蓄電池每節電池電壓不低于最低電池電壓；

（3）蓄電池總電壓不低于設定的最低總電壓；

（4）蓄電池放電容量沒達到設定的允許放電容量值；

（5）用戶不強制終止放電。

蓄電池容量測試的方法有很多，最直接的方法是：對蓄電池進行放電，按照額定電流放電，測量出蓄電池按額定電流放電到終止電壓的時間，測出蓄電池容量。但這種方法存在著缺點，一是測到容量后，蓄電池電已經放完；二是測試時間較長。為克服這些缺點，監測儀采用短時放電容量測試的方法用來測試容量，方法是：

對蓄電池進行大電流放電10~20 min,監測其放電電壓下降趨勢。由于電池容量和電壓有一定的關系，所以通過分析電壓下降趨勢，估算出容量下降的趨勢，進而估算出電池容量，此種方法需要進行大量數據實驗，建立數學模型，才能保證測試的準確性。

4 測量界面與數據

監測系統數據主要是核對性放電和短時容量測試采集的電壓、電流數值。核對性放電需要設置電池組類型、電池類型、電池數量、放電電流、總終止電壓、單節終止電壓、放電容量、放電時間等參數。其中，電池組類型有24 V,48 V,110 V,220 V四種選擇。電池類型有2 V,4 V,6 V,12 V等選擇不同電流。

進入到放電界面后，監測儀等待1 min后才會開始放電，主要是為了在放電前先測量各電池電壓，以便讓測試人員了解這組電池的狀況。然后，選擇核對性放電，進入放電設置界面，如圖5所示，設置電池組類型為48 V,電池類型為2 V/1 000 A·H,電池數量24節，放電電流100 A,放電終止電壓43 V,單節終止電壓1.83 V,放電容量100 A·H,放電時間1 h.

設置完畢后，進入放電界面，電池組總電壓和電流測試結果示意圖如圖6所示，其中，電池容量是已放出的電池組的容量，已放電容量為40 A·H,電壓是電池組總電壓，為45.2 V,電流是實際放電電流，為5.5 A,最低電池電壓是指在放電過程中電壓最低的單節電池，16#電池的放電電壓為1.9 V.

進入相關的頁面可以查看分機單體電池的放電情況，如圖7所示，顯示1#~8#電池的放電電壓。

5 結語

本文主要介紹了蓄電池性能監測儀主機的電路結構和軟件設計，能夠很好地完成核對性放電和短時容量測試等蓄電池性能測試，具有測試精度高，操作簡單靈活，可靠性好等特點，能夠很好的滿足蓄電池性能測試和維護的需要。