蓄電池在線智能監(jiān)測儀的設計.doc

蓄電池在線智能監(jiān)測儀的設計 摘要蓄電池作為電力系統(tǒng)的后備電源，其維護工作對保證電力系統(tǒng)的安全運行具有重要意義。對蓄電池實施在線監(jiān)測并及時發(fā)現(xiàn)失效電池，是蓄電池維護工作的重中之重。文中介紹一種以單片機ADuC831為核心的新型蓄電池在線智能監(jiān)測儀，能實現(xiàn)對蓄電池無論在浮充狀態(tài)還是充、放電動態(tài)過程中的狀態(tài)檢測。著重介紹其軟硬件設計方法。關鍵詞蓄電池；在線監(jiān)測：ADuC831；NVSRAM； 1 引 言蓄電池在發(fā)電廠、變電站等電力系統(tǒng)中是一種最為常用的后備電源，但由于使用不當或者不能及時維護，經(jīng)常會導致蓄電池組中個別蓄電池的早期失效。早期失效的個別蓄電池在后備電池投入使用時，會嚴重影響整個電池組的放電容量，甚至會導致整個供電系統(tǒng)的崩潰。因此，為保證在交流電斷電時用電設備安全可靠運行，避免蓄電池在長期使用過程中因個別電池失效而引發(fā)事故帶來經(jīng)濟損失，對蓄電池進行實時在線監(jiān)測和及時的故障診斷成為蓄電池維護工作的一個極為重要方面。目前蓄電池的狀態(tài)監(jiān)測儀器都是在浮充狀態(tài)下實現(xiàn)對蓄電池的端電壓測量的，而能準確反映蓄電池容量信息的蓄電池電導測試儀只能做定期測量，不能實時在線監(jiān)測，無法及時發(fā)現(xiàn)存在故障的失效電池。該文介紹一種基于ADuC831單片機系統(tǒng)的蓄電池在線智能監(jiān)測儀，能實現(xiàn)對蓄電池無論在浮充狀態(tài)還是充、放電動態(tài)過程中的狀態(tài)檢測，對蓄電池內(nèi)部開路、短路、過壓、欠壓及過度放電等異常狀態(tài)及時報警，并且能對2V、6V和12V多種節(jié)電壓測量，提高了對蓄電池監(jiān)測的準確性、自動化和智能化程度。 2系統(tǒng)工作原理蓄電池的充放電過程是一個復雜的電化學過程，其狀態(tài)檢測和失效預期診斷也一直是蓄電池維護中的難題。由于電化學反應的復雜性以及蓄電池使用環(huán)境的差異，至今還沒有一種簡單實用的方法對蓄電池的當前運行狀態(tài)快速準確判定。但大量的實驗已得出以下結論3：（1）蓄電池充、放電過程中，在相同的時間間隔內(nèi)，端電壓變化明顯比其它電池快的單節(jié)一定是有故障的落后電池。蓄電池充、放電都有一個截止電壓，過度放電和過度充電都會加速電池失效，減少電池的使用壽命。圖2-1是一組蓄電池放電時的電壓變化曲線。從圖中可以明顯看出個別電池端電壓突然變化加大，表明該電池已經(jīng)損壞。（2）蓄電池在交流電正常時一直保持浮充狀態(tài)，并要保持一個適當?shù)母〕潆妷?。浮充電壓過高會造成電池發(fā)熱量過大，出現(xiàn)熱失控現(xiàn)象，還容易因電解水反應劇烈使電池失水過多；浮充電壓過高還會惡化電池組的均勻性，加大電池之間的差異。浮充電壓過低又會使電池因自放電損失的電量無法及時補充，加速電池老化。（3）串聯(lián)在一起的蓄電池各單節(jié)電池在充足電或放完電后，端電壓應該是均勻的，不應有大的差異。如果電池組不均勻，在充電時一部分電池充電不足，另一部分電池過充電；在放電時一部分電池尚未達到終止電壓，但另一部分電池又會過放電，甚至出現(xiàn)“反極”現(xiàn)象。長此下去就會引起惡性循環(huán)，加速電池失效4。（4）環(huán)境溫度的變化也會影響蓄電池的浮充電壓，溫度過高就會加速蓄電池的老化速度。（5）在大量實驗過程中，利用數(shù)理統(tǒng)計方法分析蓄電池組的端電壓的分布規(guī)律，結果表明它們的平均值和標準差符合正態(tài)分布，平均值表明了全組端電壓的宏觀性能，標準差則表征了各單節(jié)電池端電壓的離散程度。因而可以利用這一規(guī)律判斷電池組的均勻性，并可以找出差異相對較大的電池，也就是可能已經(jīng)失效的電池4。為準確檢測和判斷蓄電池的當前運行狀態(tài)，系統(tǒng)采用以下檢測判斷方法：（1）實時在線巡回檢測每節(jié)電池的電壓，判斷蓄電池的充、放電狀態(tài)； （2）實時檢測電池組的總電壓和環(huán)境溫度；（3）根據(jù)端電壓、總電壓和溫度對蓄電池狀態(tài)實時診斷；（4）利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲器對采樣數(shù)據(jù)進行保存，并在一定時間段內(nèi)對存儲數(shù)據(jù)進行綜合分析處理；（5）讓采樣參數(shù)和綜合分析得出的數(shù)據(jù)，根據(jù)蓄電池現(xiàn)在所處的是浮充狀態(tài)還是動態(tài)充、放電過程，通過實驗確定的失效模式進行比較，得出對當前電池性能的準確診斷。對判斷為存在異常的電池及時報警處理。 3蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)設計31系統(tǒng)總體結構設計整個系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集電路、溫度傳感器、NVSRAM、液晶顯示電路、聲光報警電路、ADuC831單片機等組成，其結構框圖如圖31所示。系統(tǒng)以ADuC831單片機為核心，數(shù)據(jù)采集電路不斷循環(huán)采集各個單體電池電壓、總電壓及環(huán)境溫度，經(jīng)差分放大、模擬開關等，由ADuC831單片機的內(nèi)置模數(shù)轉換器進行AD轉換，然后進行分析處理，測量數(shù)據(jù)能夠實時顯示、打印，個別電池出現(xiàn)異常時能夠及時報警。系統(tǒng)自帶128K非易失性數(shù)據(jù)存儲器，能記錄采樣值及蓄電池運行狀態(tài)，且能通過RS232或RS485通訊接口把數(shù)據(jù)上傳。該系統(tǒng)具有以下幾個功能特點：（1）采用功能強大的數(shù)據(jù)采集芯片ADuC831作為控制核心；（2）對蓄電池組的浮充狀態(tài)和充、放電動態(tài)過程實施實時在線監(jiān)測和故障診斷；（3）數(shù)據(jù)采集電路采用模塊化設計，可根據(jù)蓄電池個數(shù)確定模塊數(shù)量，每個模塊可測量一組16節(jié)電池，最多可測量112路單體電池電壓；（4）可兼容2V、6V和12V電池，具有良好的可擴展性能；（5）采用大屏幕液晶顯示器，能直觀的了解足夠的電池信息；（6）配有大容量非易失性數(shù)據(jù)存儲器，并內(nèi)置實時時鐘；（7）有RS232和RS485通訊接口，可以與上位機或其它監(jiān)控設備通訊。32關鍵電路設計 （1）數(shù)據(jù)采集電路監(jiān)測的對象主要是電池組中每一節(jié)電池的端電壓，這些串聯(lián)電池標稱電壓都相同（2V、6V或12V），末端電壓為216V或更高。對蓄電池進行檢測的關鍵在于對電壓采樣的精確程度，因而采樣電路設計得是否適當對整個系統(tǒng)至關重要。對每節(jié)電池電壓進行測量，有兩種方法：對每節(jié)電池電壓直接采樣。采樣第（n1）節(jié)電池的端電壓，減去第n節(jié)電池的端電壓得第n節(jié)電池電壓。雖然前一種方法可以避免誤差傳遞，利于精確測量，但電路相對復雜，同時成本也相對較高。因此，選用第二種測量方法。以2V電池為例，每塊板可接16節(jié)電池，那么17個端口的理想端電壓分別是0V，2V，4V，30V，32V。由于ADuC831內(nèi)嵌的AD轉換口的輸入電壓必須低于其基準電壓Uref（25V），采用圖32的采樣電路。該電路的最大好處是不但可以保證采樣值能隨蓄電池端電壓的變化相應地實時變化，而且能夠使每一路采樣的精度相同，使后續(xù)的數(shù)據(jù)更加準確可靠。該電路為典型的線性電路，根據(jù)運算放大器的特性，可分析計算出經(jīng)過采樣電路后的輸出電壓為其中Vn是第n路的輸入端電壓。Vn經(jīng)模擬開關選通后，再經(jīng)電壓跟隨器，由ADuC831內(nèi)置12位高精度的自校準模數(shù)轉換器進行AD轉換。Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的值可以根據(jù)要檢測的蓄電池標稱電壓是2V、6V還是12V，以及是測量單節(jié)電池電壓還是電池組總電壓進行匹配選擇。溫度測量單獨分配一個采樣通道，負責對環(huán)境溫度的監(jiān)控。各路電壓采用相同的采集通道分別采樣，而不是設計每組一個采集通道，利用模擬開關或繼電器進行切換采樣。這樣不但保證了數(shù)據(jù)采集精度一致，而且避免了因頻繁切換測量通道造成的儀器工作不可靠。 （2）MCU該系統(tǒng)以ADuC831單片機為核心。ADuC831是美國ADI公司的高性能微轉換器，其內(nèi)核與8051兼容，它的內(nèi)部存貯器組織、片內(nèi)外圍設備等與8051的結構相似，指令系統(tǒng)與8051的指令系統(tǒng)完全一樣，定時器計數(shù)器和串行接口等的工作方式也與8051的完全一樣。ADuC831芯片的閃速電擦除（FlashEE）程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器與80C51單片機的存儲器不同，尤其是該芯片中所集成的8通道模數(shù)轉換器ADC的工作方式比傳統(tǒng)的ADC芯片的工作方式靈活得多，這使得利用ADuC831開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)非常方便。ADuC831單片機片內(nèi)有62KB的閃速電擦除（PlashEE）程序存儲器，因此不用片外擴展程序存儲器，就可以滿足程序空間的需要。而且還帶有4KB的FLASH數(shù)據(jù)存儲器，可以用于存儲各種參數(shù)設置數(shù)據(jù)，而無需占用程序存儲器的存儲空間。ADuC831還有2034B的數(shù)據(jù)SRAM。另外，ADuC831的功能還包括看門狗定時器、電源監(jiān)視器以及ADCDMA功能，并為多處理器接口和IO擴展提供了32條可編程的IO線、I2C兼容的串行接口、SPI串行接口和標準UART串行端口IO1、2。 （3）復位電路MCU的復位電路采用IMP708芯片，該芯片有上電復位、看門狗和電源監(jiān)控功能。在系統(tǒng)的程序由于外部干擾導致“跑飛”時，IMP708的看門狗在一可選擇的時間間隔內(nèi)產(chǎn)生復位信號熱啟動系統(tǒng)。IMP708的電源監(jiān)控功能來保護低電壓的情況，當電源電壓降低到Vcc允許的最小值時，可以向MCU發(fā)出一個中斷請求信號，使系統(tǒng)復位并保持著直到電壓回升。另外系統(tǒng)的非易失性數(shù)據(jù)存儲器DS1556也具有電源監(jiān)控功能，當電源電壓降低到Vcc允許的最小值時，它會產(chǎn)生低電平信號。因此利用該信號產(chǎn)生中斷，復位系統(tǒng)，并切斷系統(tǒng)電源對數(shù)據(jù)存儲器供電，而改為由內(nèi)置鋰電池供電，保持所存儲的數(shù)據(jù)不丟失，直到系統(tǒng)電源恢復正常，系統(tǒng)正常運行。因此通過IMP708和DS1556的雙重監(jiān)控能夠保證使系統(tǒng)可靠運行。 （4）液晶顯示采用TM240128A大屏幕液晶顯示器，能顯示足夠多的電池信息。該液晶顯示器內(nèi)藏T6963C控制器，與80C51單片機可以直接接口，而且具有8K的顯示RAM，能夠實現(xiàn)對電池監(jiān)測信息的實時分屏顯示。而且自帶背光，能調(diào)節(jié)液晶的顯示亮度，方便維護人員查看。 （5）數(shù)據(jù)處理及通訊電路數(shù)據(jù)處理電路包括存儲電路和打印電路。數(shù)據(jù)存儲器采用DALASSEMICODUCTOR公司的DS1556，該存儲器是非易失性的SRAM（NVSRAM），有128K的存儲容量，內(nèi)置鋰電池能在斷電情況下使所存儲的數(shù)據(jù)保存10年不丟失。DS1556還帶有實時時鐘（RTC），且可以通過專門的寄存器編程控制，能夠提供維護蓄電池所需的時間信息，而且可以記錄個別電池發(fā)生故障的時間。NVSRAM中存儲的一定時間段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)和個別電池發(fā)生故障的詳細數(shù)據(jù)，可以在任何需要的時候通過按鍵調(diào)用相關程序查看。DS1556還具有對系統(tǒng)進行電源監(jiān)控和定時報警功能。所存儲的測量參數(shù)可以隨時通過自帶的微型打印機進行輸出。通訊電路可以進行RS485和RS232通訊，通過單片機的串行通訊接口可以與上位機或PC機進行數(shù)據(jù)傳輸，供維護人員對檢測參數(shù)做進一步的分析。另外，系統(tǒng)設有5個按鍵，根據(jù)液晶顯示的提示信息，可以方便的進行有關的按鍵操作，使人機界面更加友好，并且極大地提高了系統(tǒng)的智能化水平。33系統(tǒng)軟件設計軟件設計采用模塊化編程，系統(tǒng)軟件的主流程如圖33所示。主要分為主程序、數(shù)據(jù)采集處理程序、通訊程序和打印程序。主程序為系統(tǒng)控制程序，該模塊是軟件的總體調(diào)度和中心控制模塊，控制和協(xié)調(diào)各模塊程序有序、高效地執(zhí)行，保障整個系統(tǒng)順暢無誤工作。同時對系統(tǒng)進行初始化，包括系統(tǒng)自檢、相關外圍設備的初始化和主要參數(shù)（包括蓄電池的性能參數(shù)、通訊參數(shù)以及測量參數(shù)）設置。數(shù)據(jù)采集處理程序控制數(shù)據(jù)實時采集和AD轉換，保證電池電壓參數(shù)及溫度能夠及時得到響應處理。主要是控制模擬開關選擇相應的通道，同時選擇對應的AD轉換通道，并對數(shù)據(jù)程序進行分析處理，包括對AD轉換的數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波和誤差補償5、蓄電池所處狀態(tài)判定。根據(jù)蓄電池組處在浮充、放電還是充電狀態(tài)，調(diào)用相應的失效模式得出當前的電池狀況，對超限的數(shù)據(jù)立即報警，并在液晶屏幕上顯示詳細的故障信息，數(shù)據(jù)送液晶顯示，并送NVSRAM保存，留作維護人員的參考數(shù)據(jù)。對蓄電池的“健康狀況”的診斷根據(jù)對采樣數(shù)據(jù)的分析、判斷。通訊和打印程序主要負責根據(jù)需要讓監(jiān)測系統(tǒng)與上位機或PC機進行數(shù)據(jù)傳遞，同時實現(xiàn)電池的狀態(tài)信息的打印輸出。 4結束語該蓄電池在線監(jiān)測儀主要用于對變電站、發(fā)電廠等電力系統(tǒng)的備用蓄電池組進行實時在線監(jiān)測，由于該系統(tǒng)采用模塊化設計，具有很好的可擴展性能，可以設定要監(jiān)測的蓄電池節(jié)數(shù)，因此也可以對通訊、郵電等系統(tǒng)的備用直流蓄電池實施監(jiān)控。該監(jiān)測儀可以獨立對某個蓄電池組進行監(jiān)測或由許多監(jiān)測儀組成一個大的監(jiān)控系統(tǒng)，對各個分散的監(jiān)控對象實施監(jiān)控，也可以和直流漏電檢測儀器、充電儀器等一起組成直流系統(tǒng)維護網(wǎng)絡，各個監(jiān)控儀通過自帶的通訊端口和控制中心通訊。實踐證明該蓄電池在線智能監(jiān)測系統(tǒng)智能化程度高，測量準確，能及時發(fā)現(xiàn)蓄電池組存在的早期故障電