蓄电池在线智能监测仪的设计.doc

蓄电池在线智能监测仪的设计 摘要蓄电池作为电力系统的后备电源，其维护工作对保证电力系统的安全运行具有重要意义。对蓄电池实施在线监测并及时发现失效电池，是蓄电池维护工作的重中之重。文中介绍一种以单片机ADuC831为核心的新型蓄电池在线智能监测仪，能实现对蓄电池无论在浮充状态还是充、放电动态过程中的状态检测。着重介绍其软硬件设计方法。关键词蓄电池；在线监测：ADuC831；NVSRAM； 1 引 言蓄电池在发电厂、变电站等电力系统中是一种最为常用的后备电源，但由于使用不当或者不能及时维护，经常会导致蓄电池组中个别蓄电池的早期失效。早期失效的个别蓄电池在后备电池投入使用时，会严重影响整个电池组的放电容量，甚至会导致整个供电系统的崩溃。因此，为保证在交流电断电时用电设备安全可靠运行，避免蓄电池在长期使用过程中因个别电池失效而引发事故带来经济损失，对蓄电池进行实时在线监测和及时的故障诊断成为蓄电池维护工作的一个极为重要方面。目前蓄电池的状态监测仪器都是在浮充状态下实现对蓄电池的端电压测量的，而能准确反映蓄电池容量信息的蓄电池电导测试仪只能做定期测量，不能实时在线监测，无法及时发现存在故障的失效电池。该文介绍一种基于ADuC831单片机系统的蓄电池在线智能监测仪，能实现对蓄电池无论在浮充状态还是充、放电动态过程中的状态检测，对蓄电池内部开路、短路、过压、欠压及过度放电等异常状态及时报警，并且能对2V、6V和12V多种节电压测量，提高了对蓄电池监测的准确性、自动化和智能化程度。 2系统工作原理蓄电池的充放电过程是一个复杂的电化学过程，其状态检测和失效预期诊断也一直是蓄电池维护中的难题。由于电化学反应的复杂性以及蓄电池使用环境的差异，至今还没有一种简单实用的方法对蓄电池的当前运行状态快速准确判定。但大量的实验已得出以下结论3：（1）蓄电池充、放电过程中，在相同的时间间隔内，端电压变化明显比其它电池快的单节一定是有故障的落后电池。蓄电池充、放电都有一个截止电压，过度放电和过度充电都会加速电池失效，减少电池的使用寿命。图2-1是一组蓄电池放电时的电压变化曲线。从图中可以明显看出个别电池端电压突然变化加大，表明该电池已经损坏。（2）蓄电池在交流电正常时一直保持浮充状态，并要保持一个适当的浮充电压。浮充电压过高会造成电池发热量过大，出现热失控现象，还容易因电解水反应剧烈使电池失水过多；浮充电压过高还会恶化电池组的均匀性，加大电池之间的差异。浮充电压过低又会使电池因自放电损失的电量无法及时补充，加速电池老化。（3）串联在一起的蓄电池各单节电池在充足电或放完电后，端电压应该是均匀的，不应有大的差异。如果电池组不均匀，在充电时一部分电池充电不足，另一部分电池过充电；在放电时一部分电池尚未达到终止电压，但另一部分电池又会过放电，甚至出现“反极”现象。长此下去就会引起恶性循环，加速电池失效4。（4）环境温度的变化也会影响蓄电池的浮充电压，温度过高就会加速蓄电池的老化速度。（5）在大量实验过程中，利用数理统计方法分析蓄电池组的端电压的分布规律，结果表明它们的平均值和标准差符合正态分布，平均值表明了全组端电压的宏观性能，标准差则表征了各单节电池端电压的离散程度。因而可以利用这一规律判断电池组的均匀性，并可以找出差异相对较大的电池，也就是可能已经失效的电池4。为准确检测和判断蓄电池的当前运行状态，系统采用以下检测判断方法：（1）实时在线巡回检测每节电池的电压，判断蓄电池的充、放电状态； （2）实时检测电池组的总电压和环境温度；（3）根据端电压、总电压和温度对蓄电池状态实时诊断；（4）利用系统的数据存储器对采样数据进行保存，并在一定时间段内对存储数据进行综合分析处理；（5）让采样参数和综合分析得出的数据，根据蓄电池现在所处的是浮充状态还是动态充、放电过程，通过实验确定的失效模式进行比较，得出对当前电池性能的准确诊断。对判断为存在异常的电池及时报警处理。 3蓄电池监测系统设计31系统总体结构设计整个系统由数据采集电路、温度传感器、NVSRAM、液晶显示电路、声光报警电路、ADuC831单片机等组成，其结构框图如图31所示。系统以ADuC831单片机为核心，数据采集电路不断循环采集各个单体电池电压、总电压及环境温度，经差分放大、模拟开关等，由ADuC831单片机的内置模数转换器进行AD转换，然后进行分析处理，测量数据能够实时显示、打印，个别电池出现异常时能够及时报警。系统自带128K非易失性数据存储器，能记录采样值及蓄电池运行状态，且能通过RS232或RS485通讯接口把数据上传。该系统具有以下几个功能特点：（1）采用功能强大的数据采集芯片ADuC831作为控制核心；（2）对蓄电池组的浮充状态和充、放电动态过程实施实时在线监测和故障诊断；（3）数据采集电路采用模块化设计，可根据蓄电池个数确定模块数量，每个模块可测量一组16节电池，最多可测量112路单体电池电压；（4）可兼容2V、6V和12V电池，具有良好的可扩展性能；（5）采用大屏幕液晶显示器，能直观的了解足够的电池信息；（6）配有大容量非易失性数据存储器，并内置实时时钟；（7）有RS232和RS485通讯接口，可以与上位机或其它监控设备通讯。32关键电路设计 （1）数据采集电路监测的对象主要是电池组中每一节电池的端电压，这些串联电池标称电压都相同（2V、6V或12V），末端电压为216V或更高。对蓄电池进行检测的关键在于对电压采样的精确程度，因而采样电路设计得是否适当对整个系统至关重要。对每节电池电压进行测量，有两种方法：对每节电池电压直接采样。采样第（n1）节电池的端电压，减去第n节电池的端电压得第n节电池电压。虽然前一种方法可以避免误差传递，利于精确测量，但电路相对复杂，同时成本也相对较高。因此，选用第二种测量方法。以2V电池为例，每块板可接16节电池，那么17个端口的理想端电压分别是0V，2V，4V，30V，32V。由于ADuC831内嵌的AD转换口的输入电压必须低于其基准电压Uref（25V），采用图32的采样电路。该电路的最大好处是不但可以保证采样值能随蓄电池端电压的变化相应地实时变化，而且能够使每一路采样的精度相同，使后续的数据更加准确可靠。该电路为典型的线性电路，根据运算放大器的特性，可分析计算出经过采样电路后的输出电压为其中Vn是第n路的输入端电压。Vn经模拟开关选通后，再经电压跟随器，由ADuC831内置12位高精度的自校准模数转换器进行AD转换。Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的值可以根据要检测的蓄电池标称电压是2V、6V还是12V，以及是测量单节电池电压还是电池组总电压进行匹配选择。温度测量单独分配一个采样通道，负责对环境温度的监控。各路电压采用相同的采集通道分别采样，而不是设计每组一个采集通道，利用模拟开关或继电器进行切换采样。这样不但保证了数据采集精度一致，而且避免了因频繁切换测量通道造成的仪器工作不可靠。 （2）MCU该系统以ADuC831单片机为核心。ADuC831是美国ADI公司的高性能微转换器，其内核与8051兼容，它的内部存贮器组织、片内外围设备等与8051的结构相似，指令系统与8051的指令系统完全一样，定时器计数器和串行接口等的工作方式也与8051的完全一样。ADuC831芯片的闪速电擦除（FlashEE）程序存储器和数据存储器与80C51单片机的存储器不同，尤其是该芯片中所集成的8通道模数转换器ADC的工作方式比传统的ADC芯片的工作方式灵活得多，这使得利用ADuC831开发数据采集系统非常方便。ADuC831单片机片内有62KB的闪速电擦除（PlashEE）程序存储器，因此不用片外扩展程序存储器，就可以满足程序空间的需要。而且还带有4KB的FLASH数据存储器，可以用于存储各种参数设置数据，而无需占用程序存储器的存储空间。ADuC831还有2034B的数据SRAM。另外，ADuC831的功能还包括看门狗定时器、电源监视器以及ADCDMA功能，并为多处理器接口和IO扩展提供了32条可编程的IO线、I2C兼容的串行接口、SPI串行接口和标准UART串行端口IO1、2。 （3）复位电路MCU的复位电路采用IMP708芯片，该芯片有上电复位、看门狗和电源监控功能。在系统的程序由于外部干扰导致“跑飞”时，IMP708的看门狗在一可选择的时间间隔内产生复位信号热启动系统。IMP708的电源监控功能来保护低电压的情况，当电源电压降低到Vcc允许的最小值时，可以向MCU发出一个中断请求信号，使系统复位并保持着直到电压回升。另外系统的非易失性数据存储器DS1556也具有电源监控功能，当电源电压降低到Vcc允许的最小值时，它会产生低电平信号。因此利用该信号产生中断，复位系统，并切断系统电源对数据存储器供电，而改为由内置锂电池供电，保持所存储的数据不丢失，直到系统电源恢复正常，系统正常运行。因此通过IMP708和DS1556的双重监控能够保证使系统可靠运行。 （4）液晶显示采用TM240128A大屏幕液晶显示器，能显示足够多的电池信息。该液晶显示器内藏T6963C控制器，与80C51单片机可以直接接口，而且具有8K的显示RAM，能够实现对电池监测信息的实时分屏显示。而且自带背光，能调节液晶的显示亮度，方便维护人员查看。 （5）数据处理及通讯电路数据处理电路包括存储电路和打印电路。数据存储器采用DALASSEMICODUCTOR公司的DS1556，该存储器是非易失性的SRAM（NVSRAM），有128K的存储容量，内置锂电池能在断电情况下使所存储的数据保存10年不丢失。DS1556还带有实时时钟（RTC），且可以通过专门的寄存器编程控制，能够提供维护蓄电池所需的时间信息，而且可以记录个别电池发生故障的时间。NVSRAM中存储的一定时间段内的测量数据和个别电池发生故障的详细数据，可以在任何需要的时候通过按键调用相关程序查看。DS1556还具有对系统进行电源监控和定时报警功能。所存储的测量参数可以随时通过自带的微型打印机进行输出。通讯电路可以进行RS485和RS232通讯，通过单片机的串行通讯接口可以与上位机或PC机进行数据传输，供维护人员对检测参数做进一步的分析。另外，系统设有5个按键，根据液晶显示的提示信息，可以方便的进行有关的按键操作，使人机界面更加友好，并且极大地提高了系统的智能化水平。33系统软件设计软件设计采用模块化编程，系统软件的主流程如图33所示。主要分为主程序、数据采集处理程序、通讯程序和打印程序。主程序为系统控制程序，该模块是软件的总体调度和中心控制模块，控制和协调各模块程序有序、高效地执行，保障整个系统顺畅无误工作。同时对系统进行初始化，包括系统自检、相关外围设备的初始化和主要参数（包括蓄电池的性能参数、通讯参数以及测量参数）设置。数据采集处理程序控制数据实时采集和AD转换，保证电池电压参数及温度能够及时得到响应处理。主要是控制模拟开关选择相应的通道，同时选择对应的AD转换通道，并对数据程序进行分析处理，包括对AD转换的数据进行数字滤波和误差补偿5、蓄电池所处状态判定。根据蓄电池组处在浮充、放电还是充电状态，调用相应的失效模式得出当前的电池状况，对超限的数据立即报警，并在液晶屏幕上显示详细的故障信息，数据送液晶显示，并送NVSRAM保存，留作维护人员的参考数据。对蓄电池的“健康状况”的诊断根据对采样数据的分析、判断。通讯和打印程序主要负责根据需要让监测系统与上位机或PC机进行数据传递，同时实现电池的状态信息的打印输出。 4结束语该蓄电池在线监测仪主要用于对变电站、发电厂等电力系统的备用蓄电池组进行实时在线监测，由于该系统采用模块化设计，具有很好的可扩展性能，可以设定要监测的蓄电池节数，因此也可以对通讯、邮电等系统的备用直流蓄电池实施监控。该监测仪可以独立对某个蓄电池组进行监测或由许多监测仪组成一个大的监控系统，对各个分散的监控对象实施监控，也可以和直流漏电检测仪器、充电仪器等一起组成直流系统维护网络，各个监控仪通过自带的通讯端口和控制中心通讯。实践证明该蓄电池在线智能监测系统智能化程度高，测量准确，能及时发现蓄电池组存在的早期故障电