《電子技術(shù)應(yīng)用》
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分布式蓄電池智能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
摘要: 般電源設(shè)備只能對(duì)電池組的整體輸出電壓和電流進(jìn)行測(cè)量,,對(duì)于單塊電池不能進(jìn)行在線測(cè)量,。而電池組的失效又往往是從單塊電池失效開(kāi)始的一種惡性循環(huán),尤其對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)但又不超過(guò)使用期限的電池組,,單純依靠維護(hù)人員的日常維護(hù)很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,。因此,,對(duì)于單塊電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就變得極為重要,。
Abstract:
Key words :

       引言   

       一般電源設(shè)備只能對(duì)電池組的整體輸出電壓和電流進(jìn)行測(cè)量,,對(duì)于單塊電池不能進(jìn)行在線測(cè)量。而電池組的失效又往往是從單塊電池失效開(kāi)始的一種惡性循環(huán),,尤其對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)但又不超過(guò)使用期限的電池組,,單純依靠維護(hù)人員的日常維護(hù)很難發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。因此,,對(duì)于單塊電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)控,,及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題就變得極為重要。   

       單塊電池的損壞首先表現(xiàn)在端電壓在充電時(shí)過(guò)高而在放電時(shí)又迅速下降,,電池體溫升高,,負(fù)載能力下降等異常現(xiàn)象,??梢酝ㄟ^(guò)對(duì)電池的端電壓、體溫等參數(shù)的在線測(cè)量及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障電池,。   

       早期的蓄電池在線監(jiān)控采用集中監(jiān)控方法,,或是基于RS-232(或RS-485)總線的分散采集、集中監(jiān)控的分布式測(cè)

 

量方法,。這些方法只能采用主從式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),,以輪詢(xún)方式收集數(shù)據(jù)。這是因?yàn)镽S-232和RS-485總線只是一種純粹的物理接口,,不具有主動(dòng)協(xié)調(diào)能力,。CAN總線是一種多主機(jī)控制局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn),,具有物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多主節(jié)點(diǎn),、無(wú)損仲裁,、高可靠性及擴(kuò)充性能好等特點(diǎn)。下面給出一種基于CAN總線的分布式蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng),。

 

       系統(tǒng)組成   

       系統(tǒng)由上位機(jī),、RS-232-CAN接口和智能節(jié)點(diǎn)組成,如圖1所示,。   

分布式蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)功能示意圖

圖1 分布式蓄電池在線監(jiān)控系統(tǒng)功能示意圖

       上位機(jī)由普通微機(jī)組成,,接收各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),建立電池組運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù),,對(duì)采集到的電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行處理(如記錄電池的履歷,、采集數(shù)據(jù)的時(shí)間等)并以表格或圖形的方式輸出顯示,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行管理等,。   

       RS-232-CAN接口為CAN總線與上位機(jī)的接口,,完成CAN總線數(shù)據(jù)與RS-232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,對(duì)智能節(jié)點(diǎn)來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行緩存,,對(duì)告警信號(hào)進(jìn)行告警以通知維護(hù)人員進(jìn)行處理,。   

       智能節(jié)點(diǎn)為智能型的監(jiān)控模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組內(nèi)(總電壓48V,,單塊電壓12V或2V)的單塊電池端電壓,、體溫、環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)量,。若超出工作范圍則進(jìn)行告警,,并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ),定期上報(bào)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),。超限告警信號(hào)及時(shí)上報(bào),,并可接受上位機(jī)的輪詢(xún)。下面僅就智能節(jié)點(diǎn)給出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案,。

       硬件組成    

       智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)以89C52為控制器,,外圍模塊包括CAN接口模塊、溫度測(cè)量模塊,、電壓測(cè)量模塊,、告警模塊、節(jié)點(diǎn)地址選擇和可選的存儲(chǔ)器模塊等,,如圖2所示,。為充分利用89C52的接口資源,除CAN接口模塊外其余模塊均采用串行接口器件,這樣就減小了電路體積,,降低了電路的硬件成本,。

智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

圖2智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

       CAN接口模塊    

       CAN總線協(xié)議及其特性見(jiàn)參考文獻(xiàn)。目前,,具有CAN協(xié)議功能的芯片很多,,本設(shè)計(jì)選用常見(jiàn)的PHLIPLE公司的SJA1000獨(dú)立CAN控制器芯片和82C250 CAN接口驅(qū)動(dòng)芯片。為增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,,SJA1000的TX0和RX0通過(guò)高速光耦6N137與82C250相連,電路如圖3所示,。

CAN接口模塊原理圖

圖3 CAN接口模塊原理圖

 


       電壓測(cè)量模塊     

       當(dāng)蓄電池是由4節(jié)12V電池串接而成時(shí),,其在線端電壓遠(yuǎn)高于ADC的允 許輸入電壓,所以對(duì)電壓的采集電路要進(jìn)行特別設(shè)計(jì):將串連電池組的各節(jié)電池端電壓經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)分別引入分壓電路進(jìn)行分壓處理,,再經(jīng)電壓跟隨器進(jìn)行阻抗變換后送入ADC的差分輸入端,,轉(zhuǎn)換后的電壓數(shù)字量輸出到單片機(jī)的PI口。     

       ADC選用National Semiconductor的ADC0838,。 該器件是一種輸入端可編程,、單端8通道/差分4通道、8位串行ADC,,其數(shù)據(jù)輸入輸出口可以分時(shí)共用,。   

       模擬開(kāi)關(guān)選用MAXIM的MAX4613。它是一種四路單刀單擲TTL/CMOS兼容的模擬開(kāi)關(guān),,可單端供電(9~40V)也可雙端供電(±4.5~±20V),,與電池組的連接 采用“浮地”方式:每個(gè)MAX4613控制兩節(jié)電池的選通,電源和地分別取兩節(jié)電池串連后的正極和負(fù)極,。由于MAX4613的S1,、S4和S2、S3的控制極性相反,,所以不能采用譯碼電路,,而由單片機(jī)的四個(gè)I/O口線經(jīng)光耦隔離后單獨(dú)驅(qū)動(dòng)

 

,以保證同時(shí)只有一路電池電壓接入后級(jí)的分壓電路,。另外,,其控制端采用CMOS電平(VL接V+)。    

       分壓電路采用三個(gè)相同的電阻,,分壓后的電壓約為4V左右,。由于使用同一個(gè)分壓網(wǎng)絡(luò),避免了由于分壓網(wǎng)絡(luò)的差異引起各路間的誤差,。同時(shí)模擬轉(zhuǎn)換器采用差分輸入從而減少了共模干擾和避免了“浮地”引起的電壓不兼容的問(wèn)題,。如果對(duì)2V電池采樣,可以用6個(gè)CD4052模擬開(kāi)關(guān)控制各節(jié)電池的選通,每個(gè)CD4052控制4節(jié)電池,,由兩個(gè)I/O口線經(jīng)光耦隔離后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)地址選擇端,,另三個(gè)I/O口線經(jīng)74LS138譯碼后分別控制六個(gè)CD4052的使能端(INH)。

       溫度測(cè)量模塊     

       溫度測(cè)量模塊采用美國(guó)DALLAS公司推出的DS18S20系列單總線數(shù)字溫度計(jì),,只需要一根導(dǎo)線就可將單片機(jī)和DS18S20連接起來(lái),,如圖4所示。每個(gè)I/O口線可以同時(shí)掛接多個(gè)DS18S20,。

DS1820與單片機(jī)連接示意圖

       軟件的實(shí)現(xiàn)     

       軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程,,系統(tǒng)軟件主要分為主程序、數(shù)據(jù)采集(電壓,、溫度)處理程序和通訊程序,。     

       主程序?yàn)橄到y(tǒng)控制程序, 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化(包括系統(tǒng)自檢、讀取本節(jié)點(diǎn)地址,、電池組電池電壓種類(lèi),、向上位機(jī)發(fā)送本節(jié)點(diǎn)的地址、接收上位機(jī)發(fā)送的本節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)電壓值和溫度值)和各模塊軟件的總體調(diào)度,。     

       數(shù)據(jù)采集處理程序包括電壓采集和溫度采集,。由于DS18S20的溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)(750ms),所以每次采集先進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換,、電壓采集,,再進(jìn)行溫度的采集。溫度轉(zhuǎn)換和電壓采集同步進(jìn)行,。每一輪采集后要將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,,判斷是否超過(guò)限定值。若正常則判斷是否采集了5次,,若不是則再次進(jìn)行采集,。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)的變換是緩慢的,如果正常就沒(méi)有必要每次都將數(shù)據(jù)上報(bào),,以減少CAN總線上的數(shù)據(jù)量,;若到了5次或數(shù)據(jù)超限,則對(duì)數(shù)據(jù)打包上傳,,進(jìn)入CAN通信階段,。    

       CAN通信程序負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN控制器,再由CAN控制器負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線,。主要的子程序有:CAN初始化,、CAN發(fā)送、CAN接收,、ADC子程序,,DS1820的復(fù)位,、啟動(dòng)、ROM的搜索,、讀寫(xiě)等,。其中CAN初始化、發(fā)送和接收子程序,、DS1820的復(fù)位,、啟動(dòng),、ROM搜索,、讀寫(xiě)等可參閱后面的參考文獻(xiàn),,ADC的轉(zhuǎn)換子程序詳見(jiàn)本刊網(wǎng)站,。

 


       結(jié)語(yǔ)    

        分布式蓄電池智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化程度高、測(cè)量準(zhǔn)確,、能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池組存在的早期故障,。其智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)可以作為對(duì)一個(gè)臺(tái)站的多組電池實(shí)現(xiàn)分散采集,、集中監(jiān)控的一個(gè)組成部分進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)使用,,也可以作為開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)附屬部分與開(kāi)關(guān)電源配套使用。CAN接口可以用RS-232接口代替,,以和現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)電源的控制主機(jī)聯(lián)接,,提高現(xiàn)有電源的性能。

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