智能蓄电池监测系统的研制

1　引言

　　在电力系统的蓄电池组维护中，除了常规的对蓄电池均浮充充电管理外，还需要对蓄电池组的端电压、单节电池电压进行巡检；定期对蓄电池组进行恒流放电试验，以检验蓄电池组的容量；同时为了检验电池组的瞬时大电流放电能力，还需要定期进行大电流动态放电试验，测试每节电池的内阻。

　　以前进行静态放电试验时采用的放电设备主要有可变电阻，碳棒，水槽等，为了维持放电电流恒定，需要人工或用继电器切换调节负载电阻，调节很不方便，而且稳流特性也不好；

　　而且动态放电很难操作，有一定的危险性。本文提出的智能蓄电池组监测系统正是为了替代传统的放电方式而进行研制的。

2　智能检测系统的构成与设计

2．1系统的构成

　　智能蓄电池检测系统组成如图1 所示。

　　放电模块是蓄电池在线监测系统的核心，综合了电力电子和微机控制技术，主要完成蓄电池放电电流控制，放电参数的设置，显示和通讯等功能；电池采样模块主要检测蓄电池各节电池的电压，与放电控制模块通讯等功能，本文主要介绍放电模块的研制。

2．2放电模块的研制

　　图2为放电模块基本原理图，包括功率电路，脉冲产生保护电路和微机控制电路三部分。

图 2　放电模块基本原理图

2.2.1 功率电路的设计

　　从图2可以看出，放电模块功率电路由电感L1，电容C1构成的EMI滤波器和MOS管Q1，Q2，续流二极管D1，输出电感L2构成BUCK型电路两部分组成，Q1，Q2交替导通。R1为输出电流检测电阻，R2为输入电流检测电阻，RJ为放电负载。当开关管Q1（Q2）导通时，蓄电池的放电电流从电池的正极经过L1，Q1（Q2），L2，RJ和取样电阻R1，R2流到蓄电池的负极，Q1（Q2）关断后，负载电流通过L2，二极管D1续流。因此，可以通过控制MOS管Q1，Q2的导通和关断的时间比来达到维持输入电流恒定的目的。

　　MOS管和续流二极管分别采用FAIRCHILD公司和IXYS公司产品，模块的开关频率为30kHz。

2.2.2 脉冲产生保护电路的设计
　　
　　从图2可以看出，脉冲产生保护电路的作用主要是产生控制MOS管Q1/Q2所需的脉冲，同时对输入电压，输出电流等采样信号进行响应的处理，出现故障时关断Q1和Q2。在本方案中，PWM控制芯片采用的是UNITRODE 公司生产的UC3825电流型PWM控制芯片，UC3825内含精确的5.1V电压基准，微功率启动电路，软启动，高频振荡器，宽带误差放大器，快速电流限制器，双脉冲控制逻辑和双图腾柱输出驱动器，可用于电压型或电流型控制，图3为脉冲产生保护电路的框图。

　　来自微机控制部分设定的电流指令信号送到误差放大器2A的正端，输入电流采样信号IS通过放大器1A送入误差放大器2A的负端，两者进行比较，差值信号送到电流型PWM控制芯片UC3825的IN+脚（2脚，同相输入），UC3825输出的OUTA（11脚），OUTB（12脚）信号再通过驱动电路分别送到MOS管Q1，Q2的G，S端，作为MOS管的驱动信号。当电池端电压或放电负载阻值发生变化时，自动调整OUTA，OUTB信号的脉冲宽度，进而调整MOS管Q1的开通时间，保证蓄电池组放电输出电流的恒定。当出现输入欠压，输出短路或模块过热时，综合保护信号变为低电平，UC3825的SS脚（软启动脚）通过二极管D1放电，从而封闭UC3825的输出，起到保护的作用。

2.2.3微机控制电路硬件和系统软件设计

　　微机控制电路主要完成监测系统参数的设置，数据的显示以及与电池采样模块，上位机的通讯等功能。

　　■ 硬件设计

　　在本方案中，微处理器采用的TI公司生产的 MSP430F系列单片机，它是一种超低功耗，高性能的FLASH结构系列单片机，具有16位精简指令结构，内含12位快速ADC/Slope ADC,内含60K字节FLASH ROM，2K字节RAM，片内资源丰富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比较器、模拟信号，具有ESD保护，大大简化了控制电路；通讯部分采用TI公司抗雷击RS485收发器SN75LBC184芯片，具有热关断保护和ESD保护功能。

　　■ 系统软件设计

　　本系统软件采用C语言编制，模块化设计，包括初始化模块，通讯模块，定时中断模块，监测模块，显示模块，故障处理模块等，主程序流程图见图4。

图4 主程序流程图

　　初始化模块主要完成CPU功能模块，通讯模块和液晶显示器等的初始化，各变量单元，各寄存器单元赋初值，读取保存的信息；

　　监测模块主要完成放电电压/电流的A/D转换和静态放电的监测；

　　显示模块主要完成液晶显示屏的处理；

　　故障处理模块根据检测的电池电压信息和模块本身提供的故障信号进行故障判断，在故障发生时去封锁UC3825的PWM输出脉冲，同时提供故障类型去显示模块。故障的类型包括蓄电池端电压过低，单节电池电压超限，过阻，模块过热或短路等；

　　定时中断模块包括定时器A_0,A_1,A_2和B_0 四个中断服务程序，分别完成按键处理，通讯超时监测，动态放电监测和模块时钟的功能；

　　通讯模块主要完成与电池采样模块或上位机的数据接受和发送。


3　实验数据

　　根据上述思路研制完成了220V/30A和110V/50A两种智能蓄电池监测系统，表1为110V/50A系统样机放电实测数据,表2为实测的效率数据.