蓄电池组在线监测维护系统的研究与设计

　　现代通讯设备及大型计算机网络系统对电源系统的可靠性要求很高。目前大部分通讯用开关电源及计算机用UPS 电源，都采用大功率蓄电池作为市电中断时的后备电源系统，蓄电池组作为系统设备正常运行的最后一道防线，对其进行有效的在线监测、放电和容量测试，为相关部门了解蓄电池组的性能提供准确可靠的数据，具有特殊的作用和意义。

　　本文以DS80C320 单片机为核心，设计了一种在蓄电池组使用过程中对电流、电压、温度等参数进行在线监测、对蓄电池组进行恒流放电和容量测试的多功能监测维护系统。

2 系统工作原理

　　本系统主要有三大功能模块： 在线参数监测模块、恒流放电控制模块和电池剩余容量*估模块。

　　在线参数监测模块实时对各蓄电池的电压、电流、温度进行在线监测。

　　系统采用光继电器切换的方式依次获取每只电池的电压，每次接通一节电池（如图1 所示），双刀继电器S1、S2 起倒相作用，以确保后级电路的极性一致;整个蓄电池组的电流则通过霍尔型电流传感器采集;对电池温度的测量是通过在电池表面安置温度传感器实现的，根据在线测得的电池温度， 找出温度异常的电池。研究表明，无论是恒流放电、限压恒流充电还是浮充状态，荷电量最小的电池温度最高。

　　恒流放电控制模块实现对蓄电池组的恒流放电，满足蓄电池组的日常维护需要。

　　该模块的原理是通过单片机控制相应的负载来给蓄电池放电，难点在于如何实现电流的连续可调性。本文采用的方法是： 采用若干路固定阻值的电阻， 使得每一路（K1~Kn）能够实现一固定的放电电流;另外再采用一路（K1’）阻值稍小的电阻，利用斩波原理，获取一线性可调的放电电流（该路电流比其他几路电流稍大） ， 通过对该路电流与其他几路电流进行组合，即可实现放电电流的连续可调， 如图2 所示。

　　图1 在线参数监测原理

　　图2 恒流放电控制原理

　　电池剩余容量*估模块通过测试蓄电池的内阻，*估蓄电池的剩余容量。

　　由于蓄电池的容量与电池内阻存在很强的相关性，一般而言，电池的容量越大，内阻就越小，因此可以通过对蓄电池内阻的测量，对电池的容量进行在线*估。

　　内阻测量是一个比较复杂的过程， 目前常见的方法主要有密度法、开路电压法、交流法和直流放电法。密度法、开路电压法、交流法分别由于测量手段不合适、测量精度低及测量值为静态值的原因，不适合作为蓄电池内阻的测量方法，本系统采用直流放电法测量蓄电池内阻， 通过对电池进行瞬间大电流放电， 测量电池上的瞬间电压降， 绘制出电池的放电曲线， 判断曲线的变化率， 再结合用户输入的标称电压和容量值， 得出蓄电池的状态。实际试验证实： 当检测电流达到一定值时， 电池的负载电压与实际容量有严格的线性对应关系。

3 系统设计

　　3.1 硬件设计

　　本系统的硬件由三部分组成：单片机最小系统、电流/ 电压和温度采集电路、放电控制电路，系统硬件结构如图3 所示。

　　图3 系统硬件结构框图

　　单片机最小系统由DS80C320、时钟电路、复位电路、键盘、液晶、扩展的串行接口等组成。DS80C320是高性能的8 位CMOS 单片微型计算机，具有丰富的I/O 控制功能;片内带有3 个16 位定时器/ 计数器;多个中断源;2 个串口等。外部扩展64KB 的程序存储器AT29C512、32KB 的数据存储器62256 以及512B 的EEPROM 参数存储器AT24C04。系统采用22M 晶振、4 x 4 按键和5 英寸点阵式T F T 彩色液晶显示模块YD501。为了增强系统的抗干扰性，采用了MAXIM 公司的硬件看门狗芯片MAX813。

　　系统的采集部分采用高精度的A/D 转换器MAX197，它具有8 通道12 位转换精度，单5V 供电，程序可选的输入范围：± 10V、± 5V、0~10V、0~5V，6us 的转换时间，100ksps 的采样频率，输入多路开关具有± 16.5V 的错误输入电压保护， 自带4. 096V 电压基准并可向外部提供， 内部或外部时钟， 两种节点模式。

　　蓄电池温度的采集采用的是Dallas 公司的数字温度传感器DS1*，它具有I 2C 总线，测量温度范围-55°C～＋ 125°C，具有0.03125℃的分辨率，最长在1S 内就可完成温度的转换， 单片机只需读取13bi t 的转换结果即可。用户可在放电前设置好安全温度，放电过程中系统实时采集温度， 并与用户设定值进行比较， 一旦超出设定值， 系统会自动停止放电， 以防止大电流放电对蓄电池性能的进一步损害。