蓄電池組在線監(jiān)測維護系統(tǒng)的研究與設(shè)計

　　現(xiàn)代通訊設(shè)備及大型計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對電源系統(tǒng)的可靠性要求很高。目前大部分通訊用開關(guān)電源及計算機用UPS 電源，都采用大功率蓄電池作為市電中斷時的后備電源系統(tǒng)，蓄電池組作為系統(tǒng)設(shè)備正常運行的最后一道防線，對其進行有效的在線監(jiān)測、放電和容量測試，為相關(guān)部門了解蓄電池組的性能提供準確可靠的數(shù)據(jù)，具有特殊的作用和意義。

　　本文以DS80C320 單片機為核心，設(shè)計了一種在蓄電池組使用過程中對電流、電壓、溫度等參數(shù)進行在線監(jiān)測、對蓄電池組進行恒流放電和容量測試的多功能監(jiān)測維護系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作原理

　　本系統(tǒng)主要有三大功能模塊： 在線參數(shù)監(jiān)測模塊、恒流放電控制模塊和電池剩余容量*估模塊。

　　在線參數(shù)監(jiān)測模塊實時對各蓄電池的電壓、電流、溫度進行在線監(jiān)測。

　　系統(tǒng)采用光繼電器切換的方式依次獲取每只電池的電壓，每次接通一節(jié)電池（如圖1 所示），雙刀繼電器S1、S2 起倒相作用，以確保后級電路的極性一致;整個蓄電池組的電流則通過霍爾型電流傳感器采集;對電池溫度的測量是通過在電池表面安置溫度傳感器實現(xiàn)的，根據(jù)在線測得的電池溫度， 找出溫度異常的電池。研究表明，無論是恒流放電、限壓恒流充電還是浮充狀態(tài)，荷電量最小的電池溫度最高。

　　恒流放電控制模塊實現(xiàn)對蓄電池組的恒流放電，滿足蓄電池組的日常維護需要。

　　該模塊的原理是通過單片機控制相應(yīng)的負載來給蓄電池放電，難點在于如何實現(xiàn)電流的連續(xù)可調(diào)性。本文采用的方法是： 采用若干路固定阻值的電阻， 使得每一路（K1~Kn）能夠?qū)崿F(xiàn)一固定的放電電流;另外再采用一路（K1’）阻值稍小的電阻，利用斬波原理，獲取一線性可調(diào)的放電電流（該路電流比其他幾路電流稍大） ， 通過對該路電流與其他幾路電流進行組合，即可實現(xiàn)放電電流的連續(xù)可調(diào)， 如圖2 所示。

　　圖1 在線參數(shù)監(jiān)測原理

　　圖2 恒流放電控制原理

　　電池剩余容量*估模塊通過測試蓄電池的內(nèi)阻，*估蓄電池的剩余容量。

　　由于蓄電池的容量與電池內(nèi)阻存在很強的相關(guān)性，一般而言，電池的容量越大，內(nèi)阻就越小，因此可以通過對蓄電池內(nèi)阻的測量，對電池的容量進行在線*估。

　　內(nèi)阻測量是一個比較復(fù)雜的過程， 目前常見的方法主要有密度法、開路電壓法、交流法和直流放電法。密度法、開路電壓法、交流法分別由于測量手段不合適、測量精度低及測量值為靜態(tài)值的原因，不適合作為蓄電池內(nèi)阻的測量方法，本系統(tǒng)采用直流放電法測量蓄電池內(nèi)阻， 通過對電池進行瞬間大電流放電， 測量電池上的瞬間電壓降， 繪制出電池的放電曲線， 判斷曲線的變化率， 再結(jié)合用戶輸入的標(biāo)稱電壓和容量值， 得出蓄電池的狀態(tài)。實際試驗證實： 當(dāng)檢測電流達到一定值時， 電池的負載電壓與實際容量有嚴格的線性對應(yīng)關(guān)系。

3 系統(tǒng)設(shè)計

　　3.1 硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的硬件由三部分組成：單片機最小系統(tǒng)、電流/ 電壓和溫度采集電路、放電控制電路，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　單片機最小系統(tǒng)由DS80C320、時鐘電路、復(fù)位電路、鍵盤、液晶、擴展的串行接口等組成。DS80C320是高性能的8 位CMOS 單片微型計算機，具有豐富的I/O 控制功能;片內(nèi)帶有3 個16 位定時器/ 計數(shù)器;多個中斷源;2 個串口等。外部擴展64KB 的程序存儲器AT29C512、32KB 的數(shù)據(jù)存儲器62256 以及512B 的EEPROM 參數(shù)存儲器AT24C04。系統(tǒng)采用22M 晶振、4 x 4 按鍵和5 英寸點陣式T F T 彩色液晶顯示模塊YD501。為了增強系統(tǒng)的抗干擾性，采用了MAXIM 公司的硬件看門狗芯片MAX813。

　　系統(tǒng)的采集部分采用高精度的A/D 轉(zhuǎn)換器MAX197，它具有8 通道12 位轉(zhuǎn)換精度，單5V 供電，程序可選的輸入范圍：± 10V、± 5V、0~10V、0~5V，6us 的轉(zhuǎn)換時間，100ksps 的采樣頻率，輸入多路開關(guān)具有± 16.5V 的錯誤輸入電壓保護， 自帶4. 096V 電壓基準并可向外部提供， 內(nèi)部或外部時鐘， 兩種節(jié)點模式。

　　蓄電池溫度的采集采用的是Dallas 公司的數(shù)字溫度傳感器DS1*，它具有I 2C 總線，測量溫度范圍-55°C～＋ 125°C，具有0.03125℃的分辨率，最長在1S 內(nèi)就可完成溫度的轉(zhuǎn)換， 單片機只需讀取13bi t 的轉(zhuǎn)換結(jié)果即可。用戶可在放電前設(shè)置好安全溫度，放電過程中系統(tǒng)實時采集溫度， 并與用戶設(shè)定值進行比較， 一旦超出設(shè)定值， 系統(tǒng)會自動停止放電， 以防止大電流放電對蓄電池性能的進一步損害。