基于MSP430F系列單片機的智能蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)

　　1　引言

　　在電力系統(tǒng)的蓄電池組維護中，除了常規(guī)的對蓄電池均浮充充電管理外，還需要對蓄電池組的端電壓、單節(jié)電池電壓進行巡檢；定期對蓄電池組進行恒流放電試驗，以檢驗蓄電池組的容量；同時為了檢驗電池組的瞬時大電流放電能力，還需要定期進行大電流動態(tài)放電試驗，測試每節(jié)電池的內(nèi)阻。

　　以前進行靜態(tài)放電試驗時采用的放電設(shè)備主要有可變電阻，碳棒，水槽等，為了維持放電電流恒定，需要人工或用繼電器切換調(diào)節(jié)負載電阻，調(diào)節(jié)很不方便，而且穩(wěn)流特性也不好；而且動態(tài)放電很難操作，有一定的危險性。本文提出的智能蓄電池組監(jiān)測系統(tǒng)正是為了替代傳統(tǒng)的放電方式而進行研制的。

　　2　智能檢測系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計

　　2．1系統(tǒng)的構(gòu)成

　　2．2放電模塊的研制

　　圖2為放電模塊基本原理圖，包括功率電路，脈沖產(chǎn)生保護電路和微機控制電路三部分。

圖 2　放電模塊基本原理圖

　　2.2.1 功率電路的設(shè)計

　　從圖2可以看出，放電模塊功率電路由電感L1，電容C1構(gòu)成的EMI濾波器和MOS管Q1，Q2，續(xù)流二極管D1，輸出電感L2構(gòu)成BUCK型電路兩部分組成，Q1，Q2交替導(dǎo)通。R1為輸出電流檢測電阻，R2為輸入電流檢測電阻，RJ為放電負載。當開關(guān)管Q1（Q2）導(dǎo)通時，蓄電池的放電電流從電池的正極經(jīng)過L1，Q1（Q2），L2，RJ和取樣電阻R1，R2流到蓄電池的負極，Q1（Q2）關(guān)斷后，負載電流通過L2，二極管D1續(xù)流。因此，可以通過控制MOS管Q1，Q2的導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比來達到維持輸入電流恒定的目的。

　　MOS管和續(xù)流二極管分別采用FAIRCHILD公司和IXYS公司產(chǎn)品，模塊的開關(guān)頻率為30kHz。

　　2.2.2 脈沖產(chǎn)生保護電路的設(shè)計

　　從圖2可以看出，脈沖產(chǎn)生保護電路的作用主要是產(chǎn)生控制MOS管Q1/Q2所需的脈沖，同時對輸入電壓，輸出電流等采樣信號進行響應(yīng)的處理，出現(xiàn)故障時關(guān)斷Q1和Q2。在本方案中，PWM控制芯片采用的是UNITRODE 公司生產(chǎn)的UC3825電流型PWM控制芯片，UC3825內(nèi)含精確的5.1V電壓基準，微功率啟動電路，軟啟動，高頻振蕩器，寬帶誤差放大器，快速電流限制器，雙脈沖控制邏輯和雙圖騰柱輸出驅(qū)動器，可用于電壓型或電流型控制，圖3為脈沖產(chǎn)生保護電路的框圖。

圖3:脈沖產(chǎn)生保護電路的框圖

　　來自微機控制部分設(shè)定的電流指令信號送到誤差放大器2A的正端，輸入電流采樣信號IS通過放大器1A送入誤差放大器2A的負端，兩者進行比較，差值信號送到電流型PWM控制芯片UC3825的IN+腳（2腳，同相輸入），UC3825輸出的OUTA（11腳），OUTB（12腳）信號再通過驅(qū)動電路分別送到MOS管Q1，Q2的G，S端，作為MOS管的驅(qū)動信號。當電池端電壓或放電負載阻值發(fā)生變化時，自動調(diào)整OUTA，OUTB信號的脈沖寬度，進而調(diào)整MOS管Q1的開通時間，保證蓄電池組放電輸出電流的恒定。當出現(xiàn)輸入欠壓，輸出短路或模塊過熱時，綜合保護信號變?yōu)榈碗娖?，UC3825的SS腳（軟啟動腳）通過二極管D1放電，從而封閉UC3825的輸出，起到保護的作用。

　　2.2.3微機控制電路硬件和系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　微機控制電路主要完成監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的顯示以及與電池采樣模塊，上位機的通訊等功能。

　　硬件設(shè)計

　　在本方案中，微處理器采用的TI公司生產(chǎn)的 MSP430F系列單片機，它是一種超低功耗，高性能的FLASH結(jié)構(gòu)系列單片機，具有16位精簡指令結(jié)構(gòu)，內(nèi)含12位快速ADC/Slope ADC,內(nèi)含60K字節(jié)FLASH ROM，2K字節(jié)RAM，片內(nèi)資源豐富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比較器、模擬信號，具有ESD保護，大大簡化了控制電路；通訊部分采用TI公司抗雷擊RS485收發(fā)器SN75LBC184芯片，具有熱關(guān)斷保護和ESD保護功能。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)軟件采用C語言編制，模塊化設(shè)計，包括初始化模塊，通訊模塊，定時中斷模塊，監(jiān)測模塊，顯示模塊，故障處理模塊等，主程序流程圖見圖4。

圖4 主程序流程圖

　　初始化模塊主要完成CPU功能模塊，通訊模塊和液晶顯示器等的初始化，各變量單元，各寄存器單元賦初值，讀取保存的信息；

　　監(jiān)測模塊主要完成放電電壓/電流的A/D轉(zhuǎn)換和靜態(tài)放電的監(jiān)測；

　　顯示模塊主要完成液晶顯示屏的處理；

　　故障處理模塊根據(jù)檢測的電池電壓信息和模塊本身提供的故障信號進行故障判斷，在故障發(fā)生時去封鎖UC3825的PWM輸出脈沖，同時提供故障類型去顯示模塊。故障的類型包括蓄電池端電壓過低，單節(jié)電池電壓超限，過阻，模塊過熱或短路等；

　　定時中斷模塊包括定時器A_0,A_1,A_2和B_0 四個中斷服務(wù)程序，分別完成按鍵處理，通訊超時監(jiān)測，動態(tài)放電監(jiān)測和模塊時鐘的功能；

　　通訊模塊主要完成與電池采樣模塊或上位機的數(shù)據(jù)接受和發(fā)送。

　　3　實驗數(shù)據(jù)

　　根據(jù)上述思路研制完成了220V/30A和110V/50A兩種智能蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)，表1為110V/50A系統(tǒng)樣機放電實測數(shù)據(jù),表2為實測的效率數(shù)據(jù).

實驗數(shù)據(jù)

　　4　結(jié)語

　　智能型蓄電池檢測系統(tǒng)具有操作簡單，穩(wěn)流精度高（1%），自動記錄每節(jié)電池端電壓（單節(jié)電壓檢測精度0.1%）等優(yōu)點，樣機研制成功后已投入批量生產(chǎn)，并已在幾個變電站中試運行，可以完全替代原有傳統(tǒng)放電裝置，具有很好的應(yīng)用前景。