电池巡检技术的应用设计

电池巡检技术的应用设计  

摘要：蓄电池作为动力系统的重要组成部分，其使用寿命和安全可靠性是用户关注的焦点。为此，介绍了一种电池巡检技术的软硬件设计，它适用于与开关电源以及UPS配套的蓄电池的大规模巡检。

关键词：电池；开关电源；电池巡检

Application and Design of Battery Patrol 

HUANG Jian- jiang 

Abstract:Battery is the important constituent part of the power system, the life and reliability of battery is the attention focus of the users,thus,a kind of hardware circuit and software design of the battery patrol technology are introduced which is applicable to the large scale patrol of the battery matched with the switching power supplies and UPS. 

Keywords:Battery; Switching power supplies； Battery patrol

1  引言

    要延长蓄电池使用寿命，充电器必须具备完善的充电管理功能，例如：均衡充电、温度补偿、周期均充、蓄电池充放电测试、蓄电池容量试验、电池深放电保护、二次下电等功能。如果单节蓄电池失效（也称落后电池）导致整组蓄电池失效，这些功能对于已经失效的蓄电池就显得意义不大。为此，本文着重讨论了一种电池巡检技术，它可以最多检测256节蓄电池（铅酸或镍镉蓄电池），蓄电池额定电压为2V、4V、6V和12V，电池电压的巡检分辨率达到±5mV。

2  电源监控系统

    本文所涉及的高频开关电源的智能监控系统如图1所示，采用了总线式测控技术。在测控总线上外挂了六种功能扩展板：交流监测板、直流监测板、电池巡检板、绝缘监测板、环境监测板和电气控制板。这六种检测板可以根据用户需要进行灵活的取舍，而且系统调测和工程维护也非常方便。

图1  开 关 电 源 监 控 系 统 原 理 框 图

3  硬件电路设计

3.1  监控接口电路

    电池巡检的监控接口电路框图如图2所示，它也是测控总线的接口电路。把单片机87C196KB的P3口 用 锁 存 器 74HC574扩 展 成 测 控 总 线 驱 动 电 路 ， 经 8路 电 平 转 换 器 转 换 后 ， P3口 的 数 据 作 为 测 控 总 线 接 口 X1的 功 能 扩 展 控 制 信 号 （ DC0～ DC7） ， 即 各 个 功 能 扩 展 板 的 公 共 控 制 信 号 。 各 个 功 能 扩 展 板 所 采 样 的 模 拟 量 （ Analog） 和 数 字 量 （ Digital） 分 别 接 到 X1的 8＃ 和 7＃ 引 脚 （ 作 为 公 共 数 据 输 入 通 道 ） ， 模 拟 量 经 12位 高 速 A/D转 换 器 MAX120处 理 后 输 入 到 87C196KB的 P0和 P2口 ， 数 字 量 输 入 到 87C196KB的 P2.3引 脚 。 针 对 电 池 巡 检 板 而 言 ， 模 拟 量 是 分 时 输 入 的 每 节 电 池 电 压 信 号 ， 数 字 量 是 分 时 输 入 的 每 节 电 池 极 性 信 号 ， 其 它 功 能 扩 展 板 的 测 量 信 号 不 再 赘 述 。

图2  监 控 接 口 电 路 框 图

3.2  地址译码电路

    要巡检每节蓄电池，单片机就必须能分时识别各节蓄电池的物理地址，从而对每一节蓄电池进行信号采样和处理，为此设计了地址译码电路。译码电路主要采用MAXIM公司的多路转换器MAX4525作为二四译码器（见表1）。

表 1  MAX4524真 值 表

    设计思路：每块电池巡检板最多可检测128节的蓄电池，以每8节蓄电池作为一小组，128节蓄电池可分成16小组。每小组8节蓄电池通过一个电池采样单元BSU（BatterySamplingUnit）来采样（见图4），共需16个BSU。由DC0～DC2译码控制每个BSU中的8节蓄电池的信号采样，DC3～DC6译码控制16个BSU的选通，DC7作为两块电池巡检板联合巡检时的板选信号。

    上述设计思路可概括为23×22×22×21=256，结合实际电路（见图3和图4），其中

    1）23是指三八译码，即DC0～DC2控制双8通道多路转换器MAX397，采样每小组8节蓄电池的电压（见图4和3.3详述）；

    2）22×22是指两组二四译码，即DC3和DC4通过U3（MAX4524）产生4路控制信号E1～E4，DC5和DC6通过U1或U2（MAX4524）产生4路控制信号B1～B4，把E1～E4作为图4中的三极管的发射极，B1～B4作为三极管的基极。根据乘法原理B1～B4和E1～E4可以控制16个NPN三极管Vk（k=1～16）。在图4所示的BSU电路中，通过开关三极管Vk对MAX397进行选通，在未译码时，Bi（i=1～4）为低电平，Ej（j=1～4）为高电平，三极管Vk截止，则DC0～DC2控制无效；在译码时，Bi为高电平，Ej为低电平，Bi和Ej所对应的三极管Vk被开启，第k个BSU被选通，则DC0～DC2控制有效（见表2）；

表 2  DC3～ DC7的 译 码 表

    3）×21是指DC7控制U1、U2的选通，即当DC7为低电平时，DC5和DC6经U2译码变为B1～B4，从而控制第一块电池巡检板的第1～128节蓄电池的采样（每节地址代码：00～7F）；当DC7为高电平时，DC5和DC6经U1译码变为B1～B4，从而控制第二块电池巡检板的第129～256节蓄电池的采样（每节地址代码：80～FF）（见图3）；

图 3  地 址 译 码 电 路

    4）=256是指两块电池巡检板可以联合巡检的最多蓄电池节数。图3中的插座X2是电池巡检板受控于DC7的板选信号跳线开关，因为U1或U2在工作时B1～B4必然有一路输出高电平，经X2和U4B（非门）后，以低电平选通U3，如果X2未跳线，U3处于 高 阻 状 态 而 无 法 控 制16个 BSU。 实 际 使 用 时 根 据 工 程 规 模 通 过 操 作 X2来 决 定 巡 检 板 的 块 数 。 如 果 把 两 块 巡 检 板 通 过 总 线 并 联 接 入 监 控 器 ， 当 把 第 一 块 巡 检 板 上 的 X2的 1－ 3引 脚 跳 线 时 ， 监 控 器 将 测 控 此 板 ， 并 且 把 第 二 块 巡 检 板 X2的 2－ 4引 脚 跳 线 时 ， 监 控 器 将 测 控 两 块 巡 检 板 ， 而 第 二 块 巡 检 板 的 X2不 跳 线 或 者 只 跳 X2的 1－ 3引 脚 时 ， 监 控 器 只 测 控 第 一 块 巡 检 板 。

图4  电池采样单元BSU电路

3.3   采样电路

    电池采样单元BSU的设计思路是，通过MAX397双路分时依次驱动PhotoMOS继电器AQV214，把每节电池电压选送到采样总线VC＋与VC－上。

    如图4所示，BSU采用的核心器件是，MAXIM公司的双8通道多路转换器MAX397和NAIS公司的PhotoMOS继电器AQV214。为了叙述方便，用Uk代表第k个MAX397（k=1～16），用Ni代表第i个AQV214（i=1～129），用Cj代表第j节蓄电池（j=1～128）。第1个BSU－U1(MAX397)与AQV214的接法是，U1的1A接N1的脚2，U1的2A与1B相连后接到N2的脚2，U1的3A与2B相连后接到N3的脚2，．．．，U1的8A与7B相连后接到N8的脚2，8B接到第2个BSU—U2（MAX397）的1A，其他BSU的接法与此相同。于是，只要将上一个BSU—MAX397的8B接到下一个BSU—MAX397的1A即可把16个BSU串联在一起。另外，MAX397的COMA、COMB接地，Ni的脚1接正电源。当i为奇数时，Ni的脚6全部连接到采样总线的VC＋上，当j为偶数时，Ni的脚6全部连接到采样总线的VC－上。蓄电池与巡检板的接法是：N1的脚4接＋C1，N2的脚4接－C1和＋C2，N3的脚4接－C2和＋C3，N4的脚4接－C3和＋C4，．．．，N126的脚4接－C125和＋C126，N127的脚4接－C126和＋C127，N128的脚4接－C127和＋C128，N129的脚4接－C128。在实际使用时根据用户对监控器参数的设置，监控器可在256节的范围内检测任意组合方式的蓄电池组。

    图3的地址译码电路对三极管Vk（k=1～16）进行开关控制，Vk输出经过非门电平转换后接到MAX397的使能端（EN），从而对BSU进行选通控制。当EN=1时，DC0～DC2控制MAX397的A0～A2去触发PhotoMOS继电器AQV214，例如：当单片机选定第1个BSU，DC0～DC2为110时，MAX397的7A和7B通道被选通，于是，电流从＋12V通过N7、N8（AQV214）的引脚1、2分别经7A－COMA和7B－COMB两通道形成回路，则N7、N8被触发，使其引脚4、6闭合，此时，第7节电池电压＋C7和－C7分别输送到采样总线VC＋与VC－上，对于MAX397的其它通道的采样控制，读者就不难推理了（见表3）。

表3  MAX397真值表

    当电源监控系统运行时，单片机的P3口输出数据00～FF到总线接口的DC0～DC7，其中，DC7选定两块巡检板中一块，DC3～DC6（0000～1111）选定16个BSU中的某一个，DC0～DC2（000～111）把已选定BSU上外挂的8节蓄电池中的某一节的电压输送到VC＋与VC－上，具体的巡检原理如表4所列。

表 4  单 片 机 的 P3口 的 数 据 与 所 巡 检 的 蓄 电 池 的 对 应 关 系

3.4  信号处理电路

    设计思路是单片机不仅需要识别每节电池的电压，还需识别每节电池的极性，因此，把采样总线VC＋和VC－上的信号处理成单片机所需的模拟信号和数字信号。

    如图5所示，VC＋和VC－经PART1_A（差分比例运算放大器）处理后的模拟信号，作为PART1_B的输入信号。PART1_B是绝对值电路和比较器的合成电路，从PART1_B的比较器输出的正负信号经PART2_B（由比较器、二极管和电阻构成的电平转换电路）处理后得到每节电池的极性数字信号（高电平：正极性，零电平：负极性）；从绝对值电路输出的正值信号Vco（0～12V）经PART2_A（跟随器）输出到由R1～R6和X3跳线构成的电阻网络。此电阻网络经X3跳线来对不同型号的蓄电池采样电压进行调整，比如：如果R1～R6阻值为10kΩ，X3不跳线时，适合采样2V电池；X3的1－4跳线，模拟信号的幅值则为Vco的1/2，适合采样4V电池；X3的2－5或3－6跳线，模拟信号的幅值则为Vco的1/3，适合采样6V电池；X3的全部跳线，模拟信号的幅值则为Vco的1/6，适合采样12V电池。

图 5  信 号 处 理 电 路

    在巡检120节、容量200Ah、单节2V蓄电池的情况下，图6和图7分别是模拟信号测试点和数字信号测试点波形。

图6  Analog测试点波形图

图7  Digital测试点波形图

4  软件设计

    电源监控系统的软件包括键盘处理、液晶显示、交流监测、直流监测、电池巡检、绝缘监测、环境监测、电气控制、集中监控、整流模块通信和控制、告警回报等软件。电池巡检主要汇编程序清单如下：

          DATA；外部RAM

CellV   DS5  12 ；每节蓄电池电压采样数据区首址

CellPol:  DS2  56 ；每节蓄电池极性采样数据区首址

AuxFP:    EQU     0EC00H ；74HC574的入口地址

          RSECT；内部RAM

ax：      DS       2 ；暂存寄存器定义

bx:       DS       2

cx:       DS       2

al:       EQU      ax

ah:       EQU      (ax＋1)

bl:       EQU      bx

bh:       EQU      (bx＋1)

cl:       EQU      cx

ch:       EQU      (cx＋1)

Pointer   DS    2 ；蓄电池地址指针

Px        DS    1 ；蓄电池组数（用户设置）

Py        DS    1 ；每组蓄电池节数（用户设置）

Pz        DS    1 ；每节蓄电池额定电压（用户设置）

BatEn     DS    1；电池巡检功能使能（用户设置）

Bat1En    DS    1；电池巡检板1使能（用户设置）

Bat2En    DS    1；电池巡检板2使能（用户设置）

Num       DS    2；整个电源系统蓄电池的总节数

i         DS    2

          CODE；程序代码部分

ld        Pointer,＃0；相关变量初始化

ld        i,＃1

ld        ax,＃CellVo

Init1:    st    ＃0,[ax]＋；蓄电池电压采样数据区初始化

          inc   i

          cmp   i,＃256

          jlt   Init1

          ld    i,＃1

          ld     bx,＃CellPol

Init2:    st    ＃0,[bx]＋；蓄电池极性采样数据区初始化

          inc    i

          cmp    i,＃128

          jlt    Init2

          ld     ax,＃CellVo

          ld     bx,＃CellPol；电池巡检中断服务程序

Patrol:cmpb    BatEn,＃1；电池巡检功能是否使能

       jne     Endptl

       mulb    Num,Px,Py

       cmpb    Num,＃128

       jle     Check1

       cmpb    Bat2En,＃1；电池巡检板2是否使能

       je      Check1

       ld      Num,＃128

Check1:cmp       Bat1En,＃1；电池巡检板1是否使能

       jne       Endptl

       ld        AuxFP,Pointer；电池巡检入口地址

       lcall     ADC；12位A/D转换

       stb       Ioport0,cl；转换结果处理

       stb       Ioport2,ch

       shrb      ch,4；高四位移位

       st        cx,[ax]＋；保存当前该节电池电压

       stb       Ioport2,cl

       shrb      cl,3；开关量移至低位

       andb      cl,＃01

       stb       cl,[bx]＋；保存当前该节电池极性

       inc       Pointer；指针下移

       cmp        Pointer,Num；一遍巡检结束否

       jlt       Endptl

       ld         Pointer,＃0；指针复位

       ld         ax,＃CellVo；数据区复位

       ld         bx,＃CellPol

Endptl:ret；一次中断结束

    电池巡检中断服务程序Patrol的流程如图8所示，Patrol在中断响应后把当前选定的那节蓄电池的电压和极性存入相应数据区，为单片机显示、告警、通信等功能提供电池巡检的原始数据。根据用户设置蓄电池组数、每组蓄电池节数和额定电压值，把电池巡检的原始数据作相应修正后，在电源监控器上即可显示每组蓄电池的每节电池电压，以及每节电池电压偏离平均电池电压的百分比，在动力环境集中监控系统上可以非常方便地根据每节蓄电池电压的柱状图或曲线图来分析蓄电池组的性能。

图8电 池 巡 检 中 断 服 务 程 序 流 程 图

5  结语

    这种电池巡检技术非常适合对各种通信电源、电力电源、UPS配套的蓄电池进行大规模监测。实践证明我们研制的电池巡检产品具有研发周期较短、生产成本较低、调试方便、用户返修率很小的优点，并且巡检分辨率高，响应速度快。其不足之处是在同一块巡检板中，使用较多的同一类元器件（如：MAX4524、MAX397）之间的精度相差太大，会影响巡检信号的稳定性。

参考文献

[1]  Maxim Integrated Products, Inc. Low-Voltage,Single? Supply Multiplexer and Switch MAX4524 MAX4525.(c)2000 Maxim Integrated Products, 6.0 edition, 2002；

[2] Maxim Integrated Products, Inc. Precision,16-Channel/Dual 8-channel,Low-Voltage,CMOS Analog Multiplexer MAX396 MAX397.(c)2000 Maxim Integrated Products, 6.0 edition, 2002；

[3]  孙涵芳．Intel16位单片机[M].北京航空航天大学出版社，1995．