智能蓄电池性能监测仪主机的设计与实现

　　摘要：为了测量铁路车辆用蓄电池的放电性能，采用以ARM芯片为核心，设计蓄电池性能监测仪。监测仪能够针对多种类型蓄电池实现核对性放电、短时容量测试和数据管理等功能，着重给出监测仪主机的电路结构以及软件设计，给出实际测试界面。经过对铁路车辆蓄电池的实际测试，满足对蓄电池性能测试的要求。

　　0 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。（作者：刘彤）