電池巡檢技術(shù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)??

摘要：蓄電池作為動(dòng)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(diǎn)。為此，介紹了一種電池巡檢技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)，它適用于與開(kāi)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(kāi)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(zhǎng)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(bǔ)償、周期均充、蓄電池充放電測(cè)試、蓄電池容量試驗(yàn)、電池深放電保護(hù)、二次下電等功能。如果單節(jié)蓄電池失效（也稱落后電池）導(dǎo)致整組蓄電池失效，這些功能對(duì)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(cè)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(dá)到±5mV。

2? 電源監(jiān)控系統(tǒng)

??? 本文所涉及的高頻開(kāi)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(cè)控技術(shù)。在測(cè)控總線上外掛了六種功能擴(kuò)展板：交流監(jiān)測(cè)板、直流監(jiān)測(cè)板、電池巡檢板、絕緣監(jiān)測(cè)板、環(huán)境監(jiān)測(cè)板和電氣控制板。這六種檢測(cè)板可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行靈活的取舍，而且系統(tǒng)調(diào)測(cè)和工程維護(hù)也非常方便。

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

3? 硬件電路設(shè)計(jì)

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(cè)控總線的接口電路。把單片機(jī)87C196KB的P3口 用 鎖 存 器 74HC574擴(kuò) 展 成 測(cè) 控 總 線 驅(qū) 動(dòng) 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(cè) 控 總 線 接 口 X1的 功 能 擴(kuò) 展 控 制 信 號(hào) （ DC0～ DC7） ， 即 各 個(gè) 功 能 擴(kuò) 展 板 的 公 共 控 制 信 號(hào) 。 各 個(gè) 功 能 擴(kuò) 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(duì) 電 池 巡 檢 板 而 言 ， 模 擬 量 是 分 時(shí) 輸 入 的 每 節(jié) 電 池 電 壓 信 號(hào) ， 數(shù) 字 量 是 分 時(shí) 輸 入 的 每 節(jié) 電 池 極 性 信 號(hào) ， 其 它 功 能 擴(kuò) 展 板 的 測(cè) 量 信 號(hào) 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(jī)就必須能分時(shí)識(shí)別各節(jié)蓄電池的物理地址，從而對(duì)每一節(jié)蓄電池進(jìn)行信號(hào)采樣和處理，為此設(shè)計(jì)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(jiàn)表1）。

表 1? MAX4524真 值 表

??? 設(shè)計(jì)思路：每塊電池巡檢板最多可檢測(cè)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(guò)一個(gè)電池采樣單元BSU（BatterySamplingUnit）來(lái)采樣（見(jiàn)圖4），共需16個(gè)BSU。由DC0～DC2譯碼控制每個(gè)BSU中的8節(jié)蓄電池的信號(hào)采樣，DC3～DC6譯碼控制16個(gè)BSU的選通，DC7作為兩塊電池巡檢板聯(lián)合巡檢時(shí)的板選信號(hào)。

??? 上述設(shè)計(jì)思路可概括為23×22×22×21=256，結(jié)合實(shí)際電路（見(jiàn)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(jiàn)圖4和3.3詳述）；

??? 2）22×22是指兩組二四譯碼，即DC3和DC4通過(guò)U3（MAX4524）產(chǎn)生4路控制信號(hào)E1～E4，DC5和DC6通過(guò)U1或U2（MAX4524）產(chǎn)生4路控制信號(hào)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(gè)NPN三極管Vk（k=1～16）。在圖4所示的BSU電路中，通過(guò)開(kāi)關(guān)三極管Vk對(duì)MAX397進(jìn)行選通，在未譯碼時(shí)，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(wú)效；在譯碼時(shí)，Bi為高電平，Ej為低電平，Bi和Ej所對(duì)應(yīng)的三極管Vk被開(kāi)啟，第k個(gè)BSU被選通，則DC0～DC2控制有效（見(jiàn)表2）；

表 2? DC3～ DC7的 譯 碼 表

??? 3）×21是指DC7控制U1、U2的選通，即當(dāng)DC7為低電平時(shí)，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(dāng)DC7為高電平時(shí)，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(jiàn)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(hào)跳線開(kāi)關(guān)，因?yàn)閁1或U2在工作時(shí)B1～B4必然有一路輸出高電平，經(jīng)X2和U4B（非門(mén)）后，以低電平選通U3，如果X2未跳線，U3處于 高 阻 狀 態(tài) 而 無(wú) 法 控 制16個(gè) BSU。 實(shí) 際 使 用 時(shí) 根 據(jù) 工 程 規(guī) 模 通 過(guò) 操 作 X2來(lái) 決 定 巡 檢 板 的 塊 數(shù) 。 如 果 把 兩 塊 巡 檢 板 通 過(guò) 總 線 并 聯(lián) 接 入 監(jiān) 控 器 ， 當(dāng) 把 第 一 塊 巡 檢 板 上 的 X2的 1－ 3引 腳 跳 線 時(shí) ， 監(jiān) 控 器 將 測(cè) 控 此 板 ， 并 且 把 第 二 塊 巡 檢 板 X2的 2－ 4引 腳 跳 線 時(shí) ， 監(jiān) 控 器 將 測(cè) 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(shí) ， 監(jiān) 控 器 只 測(cè) 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(jì)思路是，通過(guò)MAX397雙路分時(shí)依次驅(qū)動(dòng)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(gè)MAX397（k=1～16），用Ni代表第i個(gè)AQV214（i=1～129），用Cj代表第j節(jié)蓄電池（j=1～128）。第1個(gè)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(gè)BSU—U2（MAX397）的1A，其他BSU的接法與此相同。于是，只要將上一個(gè)BSU—MAX397的8B接到下一個(gè)BSU—MAX397的1A即可把16個(gè)BSU串聯(lián)在一起。另外，MAX397的COMA、COMB接地，Ni的腳1接正電源。當(dāng)i為奇數(shù)時(shí)，Ni的腳6全部連接到采樣總線的VC＋上，當(dāng)j為偶數(shù)時(shí)，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(shí)際使用時(shí)根據(jù)用戶對(duì)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(cè)任意組合方式的蓄電池組。

??? 圖3的地址譯碼電路對(duì)三極管Vk（k=1～16）進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，Vk輸出經(jīng)過(guò)非門(mén)電平轉(zhuǎn)換后接到MAX397的使能端（EN），從而對(duì)BSU進(jìn)行選通控制。當(dāng)EN=1時(shí)，DC0～DC2控制MAX397的A0～A2去觸發(fā)PhotoMOS繼電器AQV214，例如：當(dāng)單片機(jī)選定第1個(gè)BSU，DC0～DC2為110時(shí)，MAX397的7A和7B通道被選通，于是，電流從＋12V通過(guò)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(shí)，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(duì)于MAX397的其它通道的采樣控制，讀者就不難推理了（見(jiàn)表3）。

表3? MAX397真值表

??? 當(dāng)電源監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)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(gè)BSU中的某一個(gè)，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(jī) 的 P3口 的 數(shù) 據(jù) 與 所 巡 檢 的 蓄 電 池 的 對(duì) 應(yīng) 關(guān) 系

3.4? 信號(hào)處理電路

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

??? 如圖5所示，VC＋和VC－經(jīng)PART1_A（差分比例運(yùn)算放大器）處理后的模擬信號(hào)，作為PART1_B的輸入信號(hào)。PART1_B是絕對(duì)值電路和比較器的合成電路，從PART1_B的比較器輸出的正負(fù)信號(hào)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(hào)（高電平：正極性，零電平：負(fù)極性）；從絕對(duì)值電路輸出的正值信號(hào)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(lái)對(duì)不同型號(hào)的蓄電池采樣電壓進(jìn)行調(diào)整，比如：如果R1～R6阻值為10kΩ，X3不跳線時(shí)，適合采樣2V電池；X3的1－4跳線，模擬信號(hào)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(hào)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(hào)的幅值則為Vco的1/6，適合采樣12V電池。

圖 5? 信 號(hào) 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(hào)測(cè)試點(diǎn)和數(shù)字信號(hào)測(cè)試點(diǎn)波形。

圖6? Analog測(cè)試點(diǎn)波形圖

圖7? Digital測(cè)試點(diǎn)波形圖

4? 軟件設(shè)計(jì)

??? 電源監(jiān)控系統(tǒng)的軟件包括鍵盤(pán)處理、液晶顯示、交流監(jiān)測(cè)、直流監(jiān)測(cè)、電池巡檢、絕緣監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電氣控制、集中監(jiān)控、整流模塊通信和控制、告警回報(bào)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(gè)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(dāng)前該節(jié)電池電壓

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

?????? shrb????? cl,3；開(kāi)關(guān)量移至低位

?????? andb????? cl,＃01

?????? stb?????? cl,[bx]＋；保存當(dāng)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(fù)位

?????? ld???????? ax,＃CellVo；數(shù)據(jù)區(qū)復(fù)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(dāng)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(jī)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(dòng)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(lái)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(yǔ)

??? 這種電池巡檢技術(shù)非常適合對(duì)各種通信電源、電力電源、UPS配套的蓄電池進(jìn)行大規(guī)模監(jiān)測(cè)。實(shí)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(diǎn)，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(lèi)元器件（如：MAX4524、MAX397）之間的精度相差太大，會(huì)影響巡檢信號(hào)的穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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