電池巡檢技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計??

摘要：蓄電池作為動力系統(tǒng)的重要組成部分，其使用壽命和安全可靠性是用戶關(guān)注的焦點。為此，介紹了一種電池巡檢技術(shù)的軟硬件設(shè)計，它適用于與開關(guān)電源以及UPS配套的蓄電池的大規(guī)模巡檢。

關(guān)鍵詞：電池；開關(guān)電源；電池巡檢

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

??? 要延長蓄電池使用壽命，充電器必須具備完善的充電管理功能，例如：均衡充電、溫度補償、周期均充、蓄電池充放電測試、蓄電池容量試驗、電池深放電保護、二次下電等功能。如果單節(jié)蓄電池失效（也稱落后電池）導致整組蓄電池失效，這些功能對于已經(jīng)失效的蓄電池就顯得意義不大。為此，本文著重討論了一種電池巡檢技術(shù)，它可以最多檢測256節(jié)蓄電池（鉛酸或鎳鎘蓄電池），蓄電池額定電壓為2V、4V、6V和12V，電池電壓的巡檢分辨率達到±5mV。

2? 電源監(jiān)控系統(tǒng)

??? 本文所涉及的高頻開關(guān)電源的智能監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，采用了總線式測控技術(shù)。在測控總線上外掛了六種功能擴展板：交流監(jiān)測板、直流監(jiān)測板、電池巡檢板、絕緣監(jiān)測板、環(huán)境監(jiān)測板和電氣控制板。這六種檢測板可以根據(jù)用戶需要進行靈活的取舍，而且系統(tǒng)調(diào)測和工程維護也非常方便。

圖1? 開 關(guān) 電 源 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 原 理 框 圖

3? 硬件電路設(shè)計

3.1? 監(jiān)控接口電路

??? 電池巡檢的監(jiān)控接口電路框圖如圖2所示，它也是測控總線的接口電路。把單片機87C196KB的P3口 用 鎖 存 器 74HC574擴 展 成 測 控 總 線 驅(qū) 動 電 路 ， 經(jīng) 8路 電 平 轉(zhuǎn) 換 器 轉(zhuǎn) 換 后 ， P3口 的 數(shù) 據(jù) 作 為 測 控 總 線 接 口 X1的 功 能 擴 展 控 制 信 號 （ DC0～ DC7） ， 即 各 個 功 能 擴 展 板 的 公 共 控 制 信 號 。 各 個 功 能 擴 展 板 所 采 樣 的 模 擬 量 （ Analog） 和 數(shù) 字 量 （ Digital） 分 別 接 到 X1的 8＃ 和 7＃ 引 腳 （ 作 為 公 共 數(shù) 據(jù) 輸 入 通 道 ） ， 模 擬 量 經(jīng) 12位 高 速 A/D轉(zhuǎn) 換 器 MAX120處 理 后 輸 入 到 87C196KB的 P0和 P2口 ， 數(shù) 字 量 輸 入 到 87C196KB的 P2.3引 腳 。 針 對 電 池 巡 檢 板 而 言 ， 模 擬 量 是 分 時 輸 入 的 每 節(jié) 電 池 電 壓 信 號 ， 數(shù) 字 量 是 分 時 輸 入 的 每 節(jié) 電 池 極 性 信 號 ， 其 它 功 能 擴 展 板 的 測 量 信 號 不 再 贅 述 。

圖2? 監(jiān) 控 接 口 電 路 框 圖

3.2? 地址譯碼電路

??? 要巡檢每節(jié)蓄電池，單片機就必須能分時識別各節(jié)蓄電池的物理地址，從而對每一節(jié)蓄電池進行信號采樣和處理，為此設(shè)計了地址譯碼電路。譯碼電路主要采用MAXIM公司的多路轉(zhuǎn)換器MAX4525作為二四譯碼器（見表1）。

表 1? MAX4524真 值 表

??? 設(shè)計思路：每塊電池巡檢板最多可檢測128節(jié)的蓄電池，以每8節(jié)蓄電池作為一小組，128節(jié)蓄電池可分成16小組。每小組8節(jié)蓄電池通過一個電池采樣單元BSU（BatterySamplingUnit）來采樣（見圖4），共需16個BSU。由DC0～DC2譯碼控制每個BSU中的8節(jié)蓄電池的信號采樣，DC3～DC6譯碼控制16個BSU的選通，DC7作為兩塊電池巡檢板聯(lián)合巡檢時的板選信號。

??? 上述設(shè)計思路可概括為23×22×22×21=256，結(jié)合實際電路（見圖3和圖4），其中

??? 1）23是指三八譯碼，即DC0～DC2控制雙8通道多路轉(zhuǎn)換器MAX397，采樣每小組8節(jié)蓄電池的電壓（見圖4和3.3詳述）；

??? 2）22×22是指兩組二四譯碼，即DC3和DC4通過U3（MAX4524）產(chǎn)生4路控制信號E1～E4，DC5和DC6通過U1或U2（MAX4524）產(chǎn)生4路控制信號B1～B4，把E1～E4作為圖4中的三極管的發(fā)射極，B1～B4作為三極管的基極。根據(jù)乘法原理B1～B4和E1～E4可以控制16個NPN三極管Vk（k=1～16）。在圖4所示的BSU電路中，通過開關(guān)三極管Vk對MAX397進行選通，在未譯碼時，Bi（i=1～4）為低電平，Ej（j=1～4）為高電平，三極管Vk截止，則DC0～DC2控制無效；在譯碼時，Bi為高電平，Ej為低電平，Bi和Ej所對應(yīng)的三極管Vk被開啟，第k個BSU被選通，則DC0～DC2控制有效（見表2）；

表 2? DC3～ DC7的 譯 碼 表

??? 3）×21是指DC7控制U1、U2的選通，即當DC7為低電平時，DC5和DC6經(jīng)U2譯碼變?yōu)锽1～B4，從而控制第一塊電池巡檢板的第1～128節(jié)蓄電池的采樣（每節(jié)地址代碼：00～7F）；當DC7為高電平時，DC5和DC6經(jīng)U1譯碼變?yōu)锽1～B4，從而控制第二塊電池巡檢板的第129～256節(jié)蓄電池的采樣（每節(jié)地址代碼：80～FF）（見圖3）；

圖 3? 地 址 譯 碼 電 路

??? 4）=256是指兩塊電池巡檢板可以聯(lián)合巡檢的最多蓄電池節(jié)數(shù)。圖3中的插座X2是電池巡檢板受控于DC7的板選信號跳線開關(guān)，因為U1或U2在工作時B1～B4必然有一路輸出高電平，經(jīng)X2和U4B（非門）后，以低電平選通U3，如果X2未跳線，U3處于 高 阻 狀 態(tài) 而 無 法 控 制16個 BSU。 實 際 使 用 時 根 據(jù) 工 程 規(guī) 模 通 過 操 作 X2來 決 定 巡 檢 板 的 塊 數(shù) 。 如 果 把 兩 塊 巡 檢 板 通 過 總 線 并 聯(lián) 接 入 監(jiān) 控 器 ， 當 把 第 一 塊 巡 檢 板 上 的 X2的 1－ 3引 腳 跳 線 時 ， 監(jiān) 控 器 將 測 控 此 板 ， 并 且 把 第 二 塊 巡 檢 板 X2的 2－ 4引 腳 跳 線 時 ， 監(jiān) 控 器 將 測 控 兩 塊 巡 檢 板 ， 而 第 二 塊 巡 檢 板 的 X2不 跳 線 或 者 只 跳 X2的 1－ 3引 腳 時 ， 監(jiān) 控 器 只 測 控 第 一 塊 巡 檢 板 。

圖4? 電池采樣單元BSU電路

3.3?? 采樣電路

??? 電池采樣單元BSU的設(shè)計思路是，通過MAX397雙路分時依次驅(qū)動PhotoMOS繼電器AQV214，把每節(jié)電池電壓選送到采樣總線VC＋與VC－上。

??? 如圖4所示，BSU采用的核心器件是，MAXIM公司的雙8通道多路轉(zhuǎn)換器MAX397和NAIS公司的PhotoMOS繼電器AQV214。為了敘述方便，用Uk代表第k個MAX397（k=1～16），用Ni代表第i個AQV214（i=1～129），用Cj代表第j節(jié)蓄電池（j=1～128）。第1個BSU－U1(MAX397)與AQV214的接法是，U1的1A接N1的腳2，U1的2A與1B相連后接到N2的腳2，U1的3A與2B相連后接到N3的腳2，．．．，U1的8A與7B相連后接到N8的腳2，8B接到第2個BSU—U2（MAX397）的1A，其他BSU的接法與此相同。于是，只要將上一個BSU—MAX397的8B接到下一個BSU—MAX397的1A即可把16個BSU串聯(lián)在一起。另外，MAX397的COMA、COMB接地，Ni的腳1接正電源。當i為奇數(shù)時，Ni的腳6全部連接到采樣總線的VC＋上，當j為偶數(shù)時，Ni的腳6全部連接到采樣總線的VC－上。蓄電池與巡檢板的接法是：N1的腳4接＋C1，N2的腳4接－C1和＋C2，N3的腳4接－C2和＋C3，N4的腳4接－C3和＋C4，．．．，N126的腳4接－C125和＋C126，N127的腳4接－C126和＋C127，N128的腳4接－C127和＋C128，N129的腳4接－C128。在實際使用時根據(jù)用戶對監(jiān)控器參數(shù)的設(shè)置，監(jiān)控器可在256節(jié)的范圍內(nèi)檢測任意組合方式的蓄電池組。

??? 圖3的地址譯碼電路對三極管Vk（k=1～16）進行開關(guān)控制，Vk輸出經(jīng)過非門電平轉(zhuǎn)換后接到MAX397的使能端（EN），從而對BSU進行選通控制。當EN=1時，DC0～DC2控制MAX397的A0～A2去觸發(fā)PhotoMOS繼電器AQV214，例如：當單片機選定第1個BSU，DC0～DC2為110時，MAX397的7A和7B通道被選通，于是，電流從＋12V通過N7、N8（AQV214）的引腳1、2分別經(jīng)7A－COMA和7B－COMB兩通道形成回路，則N7、N8被觸發(fā)，使其引腳4、6閉合，此時，第7節(jié)電池電壓＋C7和－C7分別輸送到采樣總線VC＋與VC－上，對于MAX397的其它通道的采樣控制，讀者就不難推理了（見表3）。

表3? MAX397真值表

??? 當電源監(jiān)控系統(tǒng)運行時，單片機的P3口輸出數(shù)據(jù)00～FF到總線接口的DC0～DC7，其中，DC7選定兩塊巡檢板中一塊，DC3～DC6（0000～1111）選定16個BSU中的某一個，DC0～DC2（000～111）把已選定BSU上外掛的8節(jié)蓄電池中的某一節(jié)的電壓輸送到VC＋與VC－上，具體的巡檢原理如表4所列。

表 4? 單 片 機 的 P3口 的 數(shù) 據(jù) 與 所 巡 檢 的 蓄 電 池 的 對 應(yīng) 關(guān) 系

3.4? 信號處理電路

??? 設(shè)計思路是單片機不僅需要識別每節(jié)電池的電壓，還需識別每節(jié)電池的極性，因此，把采樣總線VC＋和VC－上的信號處理成單片機所需的模擬信號和數(shù)字信號。

??? 如圖5所示，VC＋和VC－經(jīng)PART1_A（差分比例運算放大器）處理后的模擬信號，作為PART1_B的輸入信號。PART1_B是絕對值電路和比較器的合成電路，從PART1_B的比較器輸出的正負信號經(jīng)PART2_B（由比較器、二極管和電阻構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路）處理后得到每節(jié)電池的極性數(shù)字信號（高電平：正極性，零電平：負極性）；從絕對值電路輸出的正值信號Vco（0～12V）經(jīng)PART2_A（跟隨器）輸出到由R1～R6和X3跳線構(gòu)成的電阻網(wǎng)絡(luò)。此電阻網(wǎng)絡(luò)經(jīng)X3跳線來對不同型號的蓄電池采樣電壓進行調(diào)整，比如：如果R1～R6阻值為10kΩ，X3不跳線時，適合采樣2V電池；X3的1－4跳線，模擬信號的幅值則為Vco的1/2，適合采樣4V電池；X3的2－5或3－6跳線，模擬信號的幅值則為Vco的1/3，適合采樣6V電池；X3的全部跳線，模擬信號的幅值則為Vco的1/6，適合采樣12V電池。

圖 5? 信 號 處 理 電 路

??? 在巡檢120節(jié)、容量200Ah、單節(jié)2V蓄電池的情況下，圖6和圖7分別是模擬信號測試點和數(shù)字信號測試點波形。

圖6? Analog測試點波形圖

圖7? Digital測試點波形圖

4? 軟件設(shè)計

??? 電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括鍵盤處理、液晶顯示、交流監(jiān)測、直流監(jiān)測、電池巡檢、絕緣監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、電氣控制、集中監(jiān)控、整流模塊通信和控制、告警回報等軟件。電池巡檢主要匯編程序清單如下：

????????? DATA；外部RAM

CellV?? DS5? 12 ；每節(jié)蓄電池電壓采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址

CellPol:? DS2? 56 ；每節(jié)蓄電池極性采樣數(shù)據(jù)區(qū)首址

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

????????? RSECT；內(nèi)部RAM

ax：????? DS?????? 2 ；暫存寄存器定義

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 ；蓄電池地址指針

Px??????? DS??? 1 ；蓄電池組數(shù)（用戶設(shè)置）

Py??????? DS??? 1 ；每組蓄電池節(jié)數(shù)（用戶設(shè)置）

Pz??????? DS??? 1 ；每節(jié)蓄電池額定電壓（用戶設(shè)置）

BatEn???? DS??? 1；電池巡檢功能使能（用戶設(shè)置）

Bat1En??? DS??? 1；電池巡檢板1使能（用戶設(shè)置）

Bat2En??? DS??? 1；電池巡檢板2使能（用戶設(shè)置）

Num?????? DS??? 2；整個電源系統(tǒng)蓄電池的總節(jié)數(shù)

i???????? DS??? 2

????????? CODE；程序代碼部分

ld??????? Pointer,＃0；相關(guān)變量初始化

ld??????? i,＃1

ld??????? ax,＃CellVo

Init1:??? st??? ＃0,[ax]＋；蓄電池電壓采樣數(shù)據(jù)區(qū)初始化

????????? inc?? i

????????? cmp?? i,＃256

????????? jlt?? Init1

????????? ld??? i,＃1

????????? ld???? bx,＃CellPol

Init2:??? st??? ＃0,[bx]＋；蓄電池極性采樣數(shù)據(jù)區(qū)初始化

????????? inc??? i

????????? cmp??? i,＃128

????????? jlt??? Init2

????????? ld???? ax,＃CellVo

????????? ld???? bx,＃CellPol；電池巡檢中斷服務(wù)程序

Patrol:cmpb??? BatEn,＃1；電池巡檢功能是否使能

?????? jne???? Endptl

?????? mulb??? Num,Px,Py

?????? cmpb??? Num,＃128

?????? jle???? Check1

?????? cmpb??? Bat2En,＃1；電池巡檢板2是否使能

?????? je????? Check1

?????? ld????? Num,＃128

Check1:cmp?????? Bat1En,＃1；電池巡檢板1是否使能

?????? jne?????? Endptl

?????? ld??????? AuxFP,Pointer；電池巡檢入口地址

?????? lcall???? ADC；12位A/D轉(zhuǎn)換

?????? stb?????? Ioport0,cl；轉(zhuǎn)換結(jié)果處理

?????? stb?????? Ioport2,ch

?????? shrb????? ch,4；高四位移位

?????? st??????? cx,[ax]＋；保存當前該節(jié)電池電壓

?????? stb?????? Ioport2,cl

?????? shrb????? cl,3；開關(guān)量移至低位

?????? andb????? cl,＃01

?????? stb?????? cl,[bx]＋；保存當前該節(jié)電池極性

?????? inc?????? Pointer；指針下移

?????? cmp??????? Pointer,Num；一遍巡檢結(jié)束否

?????? jlt?????? Endptl

?????? ld???????? Pointer,＃0；指針復位

?????? ld???????? ax,＃CellVo；數(shù)據(jù)區(qū)復位

?????? ld???????? bx,＃CellPol

Endptl:ret；一次中斷結(jié)束

??? 電池巡檢中斷服務(wù)程序Patrol的流程如圖8所示，Patrol在中斷響應(yīng)后把當前選定的那節(jié)蓄電池的電壓和極性存入相應(yīng)數(shù)據(jù)區(qū)，為單片機顯示、告警、通信等功能提供電池巡檢的原始數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶設(shè)置蓄電池組數(shù)、每組蓄電池節(jié)數(shù)和額定電壓值，把電池巡檢的原始數(shù)據(jù)作相應(yīng)修正后，在電源監(jiān)控器上即可顯示每組蓄電池的每節(jié)電池電壓，以及每節(jié)電池電壓偏離平均電池電壓的百分比，在動力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)上可以非常方便地根據(jù)每節(jié)蓄電池電壓的柱狀圖或曲線圖來分析蓄電池組的性能。

圖8電 池 巡 檢 中 斷 服 務(wù) 程 序 流 程 圖

5? 結(jié)語

??? 這種電池巡檢技術(shù)非常適合對各種通信電源、電力電源、UPS配套的蓄電池進行大規(guī)模監(jiān)測。實踐證明我們研制的電池巡檢產(chǎn)品具有研發(fā)周期較短、生產(chǎn)成本較低、調(diào)試方便、用戶返修率很小的優(yōu)點，并且巡檢分辨率高，響應(yīng)速度快。其不足之處是在同一塊巡檢板中，使用較多的同一類元器件（如：MAX4524、MAX397）之間的精度相差太大，會影響巡檢信號的穩(wěn)定性。

參考文獻

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