電池巡檢技術的應用設計??

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

關鍵詞：電池；開關電源；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，它可以最多檢測256節蓄電池（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? 電源監控系統

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

圖1? 開 關 電 源 監 控 系 統 原 理 框 圖

3? 硬件電路設計

3.1? 監控接口電路

??? 電池巡檢的監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 動 電 路 ， 經 8路 電 平 轉 換 器 轉 換 后 ， P3口 的 數 據 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 字 量 （ Digital） 分 別 接 到 X1的 8＃ 和 7＃ 引 腳 （ 作 為 公 共 數 據 輸 入 通 道 ） ， 模 擬 量 經 12位 高 速 A/D轉 換 器 MAX120處 理 后 輸 入 到 87C196KB的 P0和 P2口 ， 數 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 電 池 電 壓 信 號 ， 數 字 量 是 分 時 輸 入 的 每 節 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 控 接 口 電 路 框 圖

3.2? 地址譯碼電路

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

表 1? MAX4524真 值 表

??? 設計思路：每塊電池巡檢板最多可檢測128節的蓄電池，以每8節蓄電池作為一小組，128節蓄電池可分成16小組。每小組8節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合巡檢時的板選信號。

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

??? 1）23是指三八譯碼，即DC0～DC2控制雙8通道多路轉換器MAX397，采樣每小組8節蓄電池的電壓（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）產生4路控制信號E1～E4，DC5和DC6通過U1或U2（MAX4524）產生4路控制信號B1～B4，把E1～E4作為圖4中的三極管的發射極，B1～B4作為三極管的基極。根據乘法原理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U2譯碼變為B1～B4，從而控制第一塊電池巡檢板的第1～128節蓄電池的采樣（每節地址代碼：00～7F）；當DC7為高電平時，DC5和DC6經U1譯碼變為B1～B4，從而控制第二塊電池巡檢板的第129～256節蓄電池的采樣（每節地址代碼：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合巡檢的最多蓄電池節數。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，因為U1或U2在工作時B1～B4必然有一路輸出高電平，經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 而 無 法 控 制16個 BSU。 實 際 使 用 時 根 據 工 程 規 模 通 過 操 作 X2來 決 定 巡 檢 板 的 塊 數 。 如 果 把 兩 塊 巡 檢 板 通 過 總 線 并 聯 接 入 監 控 器 ， 當 把 第 一 塊 巡 檢 板 上 的 X2的 1－ 3引 腳 跳 線 時 ， 監 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 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 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的設計思路是，通過MAX397雙路分時依次驅動PhotoMOS繼電器AQV214，把每節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串聯在一起。另外，MAX397的COMA、COMB接地，Ni的腳1接正電源。當i為奇數時，Ni的腳6全部連接到采樣總線的VC＋上，當j為偶數時，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。在實際使用時根據用戶對監控器參數的設置，監控器可在256節的范圍內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）進行開關控制，Vk輸出經過非門電平轉換后接到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7A－COMA和7B－COMB兩通道形成回路，則N7、N8被觸發，使其引腳4、6閉合，此時，第7節電池電壓＋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

??? 當電源監控系統運行時，單片機的P3口輸出數據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節蓄電池中的某一節的電壓輸送到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 據 與 所 巡 檢 的 蓄 電 池 的 對 應 關 系

3.4? 信號處理電路

??? 設計思路是單片機不僅需要識別每節電池的電壓，還需識別每節電池的極性，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字信號。

??? 如圖5所示，VC＋和VC－經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PART2_B（由比較器、二極管和電阻構成的電平轉換電路）處理后得到每節電池的極性數字信號（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PART2_A（跟隨器）輸出到由R1～R6和X3跳線構成的電阻網絡。此電阻網絡經X3跳線來對不同型號的蓄電池采樣電壓進行調整，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、容量200Ah、單節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? 軟件設計

??? 電源監控系統的軟件包括鍵盤處理、液晶顯示、交流監測、直流監測、電池巡檢、絕緣監測、環境監測、電氣控制、集中監控、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 ；每節蓄電池電壓采樣數據區首址

CellPol:? DS2? 56 ；每節蓄電池極性采樣數據區首址

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

????????? RSECT；內部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（用戶設置）

Py??????? DS??? 1 ；每組蓄電池節數（用戶設置）

Pz??????? DS??? 1 ；每節蓄電池額定電壓（用戶設置）

BatEn???? DS??? 1；電池巡檢功能使能（用戶設置）

Bat1En??? DS??? 1；電池巡檢板1使能（用戶設置）

Bat2En??? DS??? 1；電池巡檢板2使能（用戶設置）

Num?????? DS??? 2；整個電源系統蓄電池的總節數

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

????????? CODE；程序代碼部分

ld??????? Pointer,＃0；相關變量初始化

ld??????? i,＃1

ld??????? ax,＃CellVo

Init1:??? st??? ＃0,[ax]＋；蓄電池電壓采樣數據區初始化

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

????????? cmp?? i,＃256

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

????????? ld??? i,＃1

????????? ld???? bx,＃CellPol

Init2:??? st??? ＃0,[bx]＋；蓄電池極性采樣數據區初始化

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

????????? cmp??? i,＃128

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

????????? ld???? ax,＃CellVo

????????? ld???? bx,＃CellPol；電池巡檢中斷服務程序

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轉換

?????? stb?????? Ioport0,cl；轉換結果處理

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

?????? shrb????? ch,4；高四位移位

?????? st??????? cx,[ax]＋；保存當前該節電池電壓

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

?????? shrb????? cl,3；開關量移至低位

?????? andb????? cl,＃01

?????? stb?????? cl,[bx]＋；保存當前該節電池極性

?????? inc?????? Pointer；指針下移

?????? cmp??????? Pointer,Num；一遍巡檢結束否

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

?????? ld???????? Pointer,＃0；指針復位

?????? ld???????? ax,＃CellVo；數據區復位

?????? ld???????? bx,＃CellPol

Endptl:ret；一次中斷結束

??? 電池巡檢中斷服務程序Patrol的流程如圖8所示，Patrol在中斷響應后把當前選定的那節蓄電池的電壓和極性存入相應數據區，為單片機顯示、告警、通信等功能提供電池巡檢的原始數據。根據用戶設置蓄電池組數、每組蓄電池節數和額定電壓值，把電池巡檢的原始數據作相應修正后，在電源監控器上即可顯示每組蓄電池的每節電池電壓，以及每節電池電壓偏離平均電池電壓的百分比，在動力環境集中監控系統上可以非常方便地根據每節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 程 序 流 程 圖

5? 結語

??? 這種電池巡檢技術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模監測。實踐證明我們研制的電池巡檢產品具有研發周期較短、生產成本較低、調試方便、用戶返修率很小的優點，并且巡檢分辨率高，響應速度快。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定性。

參考文獻

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