機(jī)車蓄電池性能監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)

袁開鴻，章若冰

(1.中南大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001)

機(jī)車蓄電池性能監(jiān)測儀的研究與設(shè)計(jì)

袁開鴻1,2，章若冰2

(1.中南大學(xué)信息工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲 412001)

介紹一種基于ARM芯片的機(jī)車蓄電池性能監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)。該蓄電池性能監(jiān)測儀能夠完成2、4、6和12 V單體電池和蓄電池組的核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)π铍姵厝萘窟M(jìn)行快速測量，能夠停電后在線監(jiān)測蓄電池容量及充電電壓檢測。通過上位機(jī)，還可以完成蓄電池測試數(shù)據(jù)的管理。測試精度高、操作簡單靈活、可靠性高。

蓄電池技術(shù)；ARM；核對(duì)性放電；短時(shí)容量測試

機(jī)車蓄電池主要用于柴油發(fā)電機(jī)機(jī)組供電和電源的啟動(dòng)電源。空調(diào)客車裝備有大量的蓄電池組，保證照明、通風(fēng)及控制電器使用不間斷電源，提供后備直流電源[1]。因此對(duì)蓄電池的性能需要能夠準(zhǔn)確、及時(shí)地測量和維護(hù)。本論文基于ARM芯片設(shè)計(jì)了一款智能蓄電池性能監(jiān)測儀器，能夠完成2、4、6和12 V單體電池和蓄電池組的核對(duì)性放電實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)π铍姵厝萘窟M(jìn)行快速測量，能夠停電后在線監(jiān)測蓄電池容量及充電電壓檢測。通過上位機(jī)，還可以完成蓄電池測試數(shù)據(jù)的管理[2]。

1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該監(jiān)測儀能夠測量24、48、110和220 V系列蓄電池組以及2、4、6和12 V單體電池，其放電電流為0～300 A，主要由主機(jī)模塊、采集分機(jī)模塊和上位機(jī)管理模塊等組成[3]。

主機(jī)模塊是監(jiān)測儀的核心，負(fù)責(zé)蓄電池放電控制、模擬量的測量、數(shù)據(jù)顯示、采集分機(jī)的管理和與上位機(jī)的通訊；采集分機(jī)模塊負(fù)責(zé)單體電池和電池組電壓、電流和容量等測量[4]；通訊模塊負(fù)責(zé)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；上位機(jī)管理模塊可以對(duì)蓄電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)綜合管理[5]。蓄電池放電過程中，主機(jī)模塊通過有線或無線模塊控制采集分機(jī)模塊測量各電池電壓并讀回電壓值，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能。與此同時(shí)，通訊終端盒還將各電池電壓、總電壓、總電流等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給PC機(jī)，PC機(jī)的軟件又可對(duì)放電數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測[6]。放電結(jié)束后，數(shù)據(jù)還將保存到主機(jī)內(nèi)部EEPROM中，用戶可以直接查看數(shù)據(jù)，也可通過U盤轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)后到PC上分析數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)模塊設(shè)計(jì)

主機(jī)模塊對(duì)蓄電池放電進(jìn)行控制，測量蓄電池總電壓和總電流。以ARM芯片LPC2136為核心[7]，擴(kuò)展外圍電路構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。LPC2136是32位ARM7TDMI-STM CPU，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，配置了豐富的接口資源，內(nèi)部多通道10位精度A/D接口，完全滿足電池電壓、電流數(shù)據(jù)的采集，不需要增加外圍A/D芯片，簡化了電路設(shè)計(jì)。監(jiān)測儀采用新型PTC陶瓷電阻作為蓄電池放電負(fù)載，避免了紅熱現(xiàn)象，安全可靠無污染，LPC2136通過CPLD擴(kuò)展I/O接口連接放電控制板，MOSFET與PTC電阻串聯(lián)，采用PID方式控制MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷，就能控制蓄電池流過PTC電阻上的放電電流。

主機(jī)模塊通過LCD液晶顯示器和按鍵構(gòu)成人機(jī)交互電路。LCD12864液晶顯示器能夠顯示4×8個(gè)漢字，通過總線與ARM芯片連接，檢測儀的操作、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、通訊設(shè)置等，都能夠通過LCD顯示電路和按鍵電路完成。

監(jiān)測儀支持多種存儲(chǔ)和通訊方式，需要掉電保存的一些參數(shù)，存儲(chǔ)在EEPROM芯片24C1024中，通過I2C總線與LPC2136連接通訊。測試數(shù)據(jù)可以通過U盤電路保存在U盤中，也可以通過RS485總線傳輸給上位機(jī)，還可以通過無線傳輸模塊NRF905傳輸給上位機(jī)。

蓄電池組的總電壓和總電流測量，由LPC2136內(nèi)部A/D模塊完成，外接信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路采用儀表放大器INA128UA和低通濾波電路，將蓄電池電壓和電流信號(hào)幅度調(diào)理到A/D輸入的合適范圍，噪音干擾減小到最低，輸入A/D模塊，提高測量精度。

圖2 主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 采集分機(jī)模塊設(shè)計(jì)

采集分機(jī)采集蓄電池組的單體電壓和電流，一個(gè)分機(jī)可以采集2或4 V單體電池12節(jié)，6或12 V單體電池4節(jié)，多個(gè)分機(jī)可以同時(shí)使用，采用RS485總線方式和主機(jī)通訊，將采集數(shù)據(jù)傳送給主機(jī)模塊。分機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 分機(jī)電路結(jié)構(gòu)圖

采集分機(jī)模塊電路主要由CPU電路、存儲(chǔ)電路、通訊電路、通道選擇電路、單體電池測量電路等組成。ARM芯片LPC2132、復(fù)位電路和電源電路構(gòu)成CPU電路，接收主機(jī)命令，完成采集任務(wù)；蓄電池組的單體電池電壓存在差異，因此設(shè)計(jì)兩種采集電路，兼容大多數(shù)單體電池電壓的采集：一種是2或4 V電壓采集電路，另外一種是6或12 V電壓采集電路，采集電路采用儀表放大器INA126作為信號(hào)調(diào)理電路，差分輸入，單端輸出，將電池組的單體電池電壓進(jìn)行分壓和降噪處理；分機(jī)采集利用ARM芯片LPC2132內(nèi)部A/D模塊實(shí)現(xiàn)，采集電池的數(shù)量大于A/D通道數(shù)，因此需要分時(shí)選擇采集，調(diào)理電路后需連接A/D通道選擇電路，輸入ARM內(nèi)部A/D，完成采集；考慮到通訊的安全性和可靠性，RS485電路采用光電耦合器實(shí)現(xiàn)CPU電路和RS485電路的隔離，通訊電路有問題的情況下，不至于影響CPU電路，利用MAX485CSA芯片完成LPC2132芯片UART信號(hào)到RS485信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測儀的軟件由主機(jī)軟件、分機(jī)軟件和上位機(jī)管理軟件三個(gè)部分組成。主機(jī)軟件是檢測儀軟件設(shè)計(jì)的核心部分，負(fù)責(zé)蓄電池的放電控制、電壓采集、存儲(chǔ)、分機(jī)采集控制、通訊管理和上位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)；分機(jī)軟件部分負(fù)責(zé)接收主機(jī)命令，采集單體電池電壓數(shù)據(jù)，傳輸給主機(jī)；上位機(jī)可以通過RS232總線或無線方式與監(jiān)測儀主機(jī)通訊，通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)放電監(jiān)測、U盤數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)管理、報(bào)表打印等功能。

3.1 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

程序開發(fā)采用了ARM Developer Suite V1.2編譯系統(tǒng)。程序編譯后下載到ARM芯片LPC2136內(nèi)的Flash ROM中。代碼編寫采用模塊化設(shè)計(jì)，包括低層驅(qū)動(dòng)、用戶接口控件、用戶應(yīng)用三個(gè)類型的代碼，菜單管理，層次分明，實(shí)現(xiàn)菜單設(shè)置、放電控制、測試控制、存儲(chǔ)控制等功能，主機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4 主機(jī)軟件功能結(jié)構(gòu)圖

放電并進(jìn)行測試是監(jiān)測儀的主要功能，需要完成本機(jī)放電、核對(duì)性放電和短時(shí)容量測試。本機(jī)放電時(shí)，為了準(zhǔn)確控制放電電流的大小，需要循環(huán)檢測實(shí)際電流大小，再與設(shè)定值比較，根據(jù)誤差通過PID計(jì)算來調(diào)節(jié)控制量，從而使得實(shí)際放電電流不斷逼近設(shè)定的放電電流。放電控制流程圖如圖5所示。

核對(duì)性放電，就是對(duì)蓄電池放電是要滿足一定條件，只有當(dāng)這些條件都滿足時(shí)才可以控制放電，有一個(gè)放電的條件不滿足都會(huì)停止放電。條件如下：(1)完成放電時(shí)間沒到；(2)蓄電池總電壓不低于設(shè)定的最低總電壓；(3)蓄電池每節(jié)電池電壓不低于最低電池電壓；(4)蓄電池放電容量沒達(dá)到設(shè)定的允許放電容量值；(5)用戶不強(qiáng)制終止放電。

蓄電池容量測試的方法有很多，最直接的方法是：對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，按照額定電流放電，測量出蓄電池按額定電流放電到終止電壓的時(shí)間，測出蓄電池容量。但這種方法存在著缺點(diǎn)：一是測到容量后，蓄電池電已經(jīng)放完；二是測試時(shí)間較長。為克服這些缺點(diǎn)，監(jiān)測儀采用短時(shí)放電容量測試的方法來測試容量，方法是：對(duì)蓄電池進(jìn)行大電流放電10～20 min，監(jiān)測其放電電壓下降趨勢(shì)。由于電池容量和電壓有一定的關(guān)系，所以通過分析電壓下降趨勢(shì)，估算出容量下降的趨勢(shì)，進(jìn)而估算出電池容量，此種方法需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型，才能保證測試的準(zhǔn)確性。

圖5 放電控制流程圖

3.2 分機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測儀主機(jī)控制采集分機(jī)測量各電池電壓，然后將其結(jié)果讀回，以便存儲(chǔ)處理。主機(jī)主要發(fā)送檢查命令、采樣命令、讀數(shù)據(jù)命令、設(shè)置分機(jī)號(hào)命令給采集分機(jī)，采集分機(jī)從主機(jī)接受命令，主機(jī)發(fā)命令給采集分機(jī)(發(fā)讀取數(shù)據(jù)命令除外)，采集分機(jī)處理命令并準(zhǔn)備需要回傳的數(shù)據(jù)，但并不回傳數(shù)據(jù)。只有當(dāng)主機(jī)發(fā)送讀數(shù)據(jù)命令后，采集分機(jī)才將準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)回傳給主機(jī)。當(dāng)主機(jī)發(fā)校正命令后，再發(fā)讀數(shù)據(jù)命令時(shí)，采集分機(jī)回傳的數(shù)據(jù)表示校正系數(shù)；當(dāng)主機(jī)發(fā)廣播校正命令時(shí)，將實(shí)際測量的電壓值也一同發(fā)給所有采集分機(jī)，所有采集分機(jī)接收到命令后馬上進(jìn)行校正，校正完成后將校正結(jié)果準(zhǔn)備好，當(dāng)收到主機(jī)讀數(shù)據(jù)命令后才將數(shù)據(jù)傳給主機(jī)；當(dāng)主機(jī)發(fā)送設(shè)置分機(jī)號(hào)命令時(shí)，采集分機(jī)設(shè)置目標(biāo)號(hào)碼。

4 數(shù)據(jù)測量

監(jiān)測儀數(shù)據(jù)主要是核對(duì)性放電和短時(shí)容量測試采集的電壓、電流數(shù)值。核對(duì)性放電需要設(shè)置電池組類型、電池類型、電池?cái)?shù)量、放電電流、總終止電壓、單節(jié)終止電壓、放電容量、放電時(shí)間等參數(shù)。其中，電池組類型有24/48/110/220 V 4種選擇。電池類型有2 V/100 Ah、2 V/200 Ah、2 V/400 Ah、2 V/500 Ah、2 V/1 000 Ah、2 V/3 000 Ah、12 V/100 Ah、12 V/200 Ah、12 V/300 Ah 9種選擇。

進(jìn)入到放電界面后，監(jiān)測儀1 min后才會(huì)開始放電，主要是為了在放電前先測量各電池電壓，以便讓測試人員了解這組電池的狀況。在電池放電界面中，電池容量是已放出的電池組的容量，電壓是電池組總電壓，電流是實(shí)際放電電流，最低電池電壓是指在放電過程中電壓最低的電池。圖6是電池組總電壓和電流測試結(jié)果示意圖，圖7是單體電池電壓測試結(jié)果示意圖。

圖6 電池組電壓和電流測試示意圖

圖7 單體電池電壓測試示意圖

5 結(jié)論

蓄電池性能監(jiān)測儀采用主機(jī)和分機(jī)的模塊化結(jié)構(gòu)，適用于多種類型的蓄電池測試，廣泛應(yīng)用于鐵路、電力、通訊等行業(yè)。經(jīng)測試，本監(jiān)測儀能夠很好地完成核對(duì)性放電和短時(shí)容量測試等蓄電池性能測試，并且能夠通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)蓄電池性能的實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)管理，具有測試精度高，操作簡單靈活，可靠性好等特點(diǎn)，能夠很好地滿足蓄電池測試和維護(hù)的需要。

[1]黃薇，李麗，曾兵，等.基于霍爾傳感器的鉛酸蓄電池檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子世界，2012(23)：113-114.

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Research and design of locomotive battery performance monitor

A design of locomotive battery performance monitor based on ARM chip was introduced.The performance of the battery monitor could complete the following functions:Check discharge experiment of 2,4,6,12 V single battery and battery,can carry on the fast measurement of battery capacity,to online monitoring of battery capacity after power failure and charging voltage detection.Through the computer,the battery test data management could be completed as well.The instrument had the advantages of high precision,simple and flexible operation,high reliability.

battery technology;ARM;check discharge;short-term capacity test

TM 912

A

1002-087 X(2016)03-0594-03

2015-08-27

袁開鴻(1964—)，男，湖南省人，講師，研究方向?yàn)閼?yīng)用電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。

章若冰(1984—)，女，湖南省人，講師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)。