蓄电池性能监测仪主机的电路结构和软件设计及蓄电池性能测试分析

引言

蓄电池组广泛应用于电力、通信、金融、铁路等行业，作为可靠的后备电源，为各行业提供直流或交流不间断电源系统。在蓄电池维护过程中，需要对蓄电池的性能准确、及时的测量，提前判断电池的质量，找出落后电池，并加以处理和维护。本文针对蓄电池充放电过程，设计一种智能监测系统，能够完成多种规格单体电池和蓄电池组的核对性放电实验、蓄电池容量测试、停电后在线监测蓄电池容量及充电电压检测和数据管理功能。本文着重介绍监测系统的主机模块的电路结构和软件设计。

1 系统概述

监测系统主要由主机模块、采集分机模块和上位机数据管理模块等组成，系统结构图如图1所示。主机模块是监测系统的核心，负责蓄电池放电控制、本机数据显示、采集分机的管理和与上位机的通信，测量电池组电压、电流和容量等任务；采集分机模块负责单体电池电压和电流的测量，并通过网络将数据传递给主机；上位机对蓄电池数据进行分析、处理，实现综合管理。蓄电池放电过程中，主机模块通过总线控制采集分机模块测量各电池电压并读回电压值，以实现监测功能。与此同时，主机还将各电池电压、总电压、总电流等数据实时传给PC 机，PC 机的软件又可对放电数据进行实时监测。放电结束后，数据还将保存到主机内部E2PROM中，用户可以直接查看数据，也可通过U盘转存数据后到PC上分析数据。

2 主机电路结构

主机模块以ARM芯片LPC2132为核心，扩展外围电路构成，电路结构如图2所示，对蓄电池放电进行控制，测量蓄电池总电压和总电流。LPC2132 是32 位ARM7TDMI-STM CPU,具有很强的数据处理能力，配置了丰富的接口资源，内部多通道10位精度A/D接口，完全满足电池电压、电流数据的采集精度要求，不需要增加外围A/D 芯片，简化了电路设计。监测仪采用新型PTC 陶瓷电阻作为蓄电池放电负载，避免了红热现象，安全可靠无污染，LPC2132扩展I/O 接口连接放电控制板，MOSFET 与PTC 电阻串联，放电控制板控制MOS-FET控制蓄电池流过PTC电阻上的放电电流。

主机模块通过LCD液晶显示器和按键构成人机交互电路。LCD12864 液晶显示器能够显示4×8 个汉字，通过总线与ARM 芯片连接，检测仪的操作、参数设置、数据显示、通信设置等，都能够通过LCD显示电路和按键电路完成。

监测系统支持多种存储和通信方式，需要掉电保存的一些参数，存储在E2PROM 芯片24C1024中，通过I2C总线与LPC2132连接通信；测试数据可以通过U盘电路保存在U盘中，也可以通过RS 485总线传输给上位机。

蓄电池组的总电压和总电流测量，由LPC2132内部A/D 模块完成，外接信号调理电路，信号调理电路采用仪表放大器INA128UA 和低通滤波电路，将蓄电池电压和电流信号信号幅度调理到A/D输入的合适范围，噪音干扰减小到最低，输入A/D模块，提高测量精度。

3 主机软件设计

主机软件是监测系统软件设计的核心部分，负责蓄电池的放电控制、电压采集、存储、分机采集控制、通信管理和上位机数据传输等任务。

程序开发采用了ARM Developer Suite V1.2编译系统。程序编译后下载到ARM芯片LPC2132内的FLASHROM中。代码编写采用模块化设计，包括低层驱动、用户接口控件、用户应用三个类型的代码，菜单管理，层次分明，实现菜单设置、放电控制、测试控制、存储控制等功能，主机软件功能结构示意图如图3所示。

控制蓄电池放电并进行测试是监测仪的主要功能，需要完成本机放电、核对性放电和短时容量测试。本机放电时，为了准确控制放电电流的大小，需要循环检测实际电流大小，再与设定值比较，根据误差通过PID计算来调节控制量，从而使得实际放电电流不断逼近设定的放电电流，放电控制流程图如图4所示。

核对性放电，就是蓄电池放电要满足一定条件，只有当这些条件都满足时才可以控制放电，有一个条件不满足都会停止放电。这些条件大致可分为以下几个：

（1）完成放电时间没到；

（2）蓄电池每节电池电压不低于最低电池电压；

（3）蓄电池总电压不低于设定的最低总电压；

（4）蓄电池放电容量没达到设定的允许放电容量值；

（5）用户不强制终止放电。

蓄电池容量测试的方法有很多，最直接的方法是：对蓄电池进行放电，按照额定电流放电，测量出蓄电池按额定电流放电到终止电压的时间，测出蓄电池容量。但这种方法存在着缺点，一是测到容量后，蓄电池电已经放完；二是测试时间较长。为克服这些缺点，监测仪采用短时放电容量测试的方法用来测试容量，方法是：

对蓄电池进行大电流放电10~20 min,监测其放电电压下降趋势。由于电池容量和电压有一定的关系，所以通过分析电压下降趋势，估算出容量下降的趋势，进而估算出电池容量，此种方法需要进行大量数据实验，建立数学模型，才能保证测试的准确性。

4 测量界面与数据

监测系统数据主要是核对性放电和短时容量测试采集的电压、电流数值。核对性放电需要设置电池组类型、电池类型、电池数量、放电电流、总终止电压、单节终止电压、放电容量、放电时间等参数。其中，电池组类型有24 V,48 V,110 V,220 V四种选择。电池类型有2 V,4 V,6 V,12 V等选择不同电流。

进入到放电界面后，监测仪等待1 min后才会开始放电，主要是为了在放电前先测量各电池电压，以便让测试人员了解这组电池的状况。然后，选择核对性放电，进入放电设置界面，如图5所示，设置电池组类型为48 V,电池类型为2 V/1 000 A·H,电池数量24节，放电电流100 A,放电终止电压43 V,单节终止电压1.83 V,放电容量100 A·H,放电时间1 h.

设置完毕后，进入放电界面，电池组总电压和电流测试结果示意图如图6所示，其中，电池容量是已放出的电池组的容量，已放电容量为40 A·H,电压是电池组总电压，为45.2 V,电流是实际放电电流，为5.5 A,最低电池电压是指在放电过程中电压最低的单节电池，16#电池的放电电压为1.9 V.

进入相关的页面可以查看分机单体电池的放电情况，如图7所示，显示1#~8#电池的放电电压。

5 结语

本文主要介绍了蓄电池性能监测仪主机的电路结构和软件设计，能够很好地完成核对性放电和短时容量测试等蓄电池性能测试，具有测试精度高，操作简单灵活，可靠性好等特点，能够很好的满足蓄电池性能测试和维护的需要。