劉素玲,鄭國超,吳曉光,薛占鈺

(1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司 研發(fā)中心，河北 保定071052)

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蓄電池參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉素玲1,鄭國超1,吳曉光1,薛占鈺2

(1.河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002；2.保定鈺鑫電氣科技有限公司 研發(fā)中心，河北 保定071052)

蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等可測(cè)量的表征參數(shù)以及它們之間的關(guān)系可以反映蓄電池復(fù)雜的內(nèi)部變化.因此，通過監(jiān)測(cè)蓄電池的電壓、內(nèi)阻、溫度等的變化可以為蓄電池管理提供一定的參考.該文以鉛酸蓄電池為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)搭建了一套蓄電池參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).該系統(tǒng)以六位半多功能數(shù)字萬用表作為輔助測(cè)量設(shè)備，在后續(xù)電路的控制下，通過軟件實(shí)現(xiàn)高精度、連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量電壓與保存數(shù)據(jù)；采用差分放大電路，并利用最小二乘法進(jìn)行標(biāo)定以提高內(nèi)阻測(cè)試的精度與穩(wěn)定性.最終將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到參數(shù)采集終端，顯示在液晶屏幕上.同時(shí)，通過專用軟件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、參數(shù)采集以及數(shù)據(jù)處理等功能.該系統(tǒng)利用AltiumDesigner電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路板，利用C與C++語言編寫硬件與軟件程序.實(shí)踐表明，該系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果精度高，穩(wěn)定性好，對(duì)于研究蓄電池的綜合特性具有較高的實(shí)用價(jià)值.

蓄電池；參數(shù)采集；最小二乘法

蓄電池是1859年由法國人普蘭特發(fā)明的，至今已有100多年的歷史，其作為后備電源，在很多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用.而蓄電池的特性研究也一直是蓄電池行業(yè)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[1-2].目前，人們經(jīng)常使用的蓄電池參數(shù)檢測(cè)儀器大多數(shù)功能單一、精度不足.比如，有文獻(xiàn)指出，在蓄電池容量高于60%時(shí)，其內(nèi)阻沒有變化.但是，利用高精度的儀表測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)阻數(shù)值在μΩ數(shù)量級(jí)上還是有變化的.大多數(shù)的儀器儀表也不能實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)、連續(xù)的檢測(cè).

針對(duì)以上不足，該蓄電池參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了在線、自動(dòng)、實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測(cè)功能，還可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析處理.其主要用來完成以下幾方面的功能：?jiǎn)误w蓄電池端電壓檢測(cè)、單體蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)、單體蓄電池溫度檢測(cè)、數(shù)據(jù)的傳輸與綜合處理等.該系統(tǒng)采用友好的人機(jī)界面，數(shù)據(jù)顯示直觀.

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括：集中主控單元、電壓檢測(cè)單元、內(nèi)阻檢測(cè)單元與溫度檢測(cè)單元.

1.1 集中主控單元

1.1.1 集中主控單元功能說明

蓄電池參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用主-從機(jī)模式.集中主控單元作為主機(jī)，采集單元作為從機(jī)，集中主控單元負(fù)責(zé)向各個(gè)從機(jī)發(fā)送命令，接收來自各個(gè)從機(jī)的報(bào)文數(shù)據(jù)并對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，然后將結(jié)果顯示在液晶屏幕上.集中主控單元通過RS485協(xié)議與各個(gè)從機(jī)進(jìn)行通訊，通過按鍵向各個(gè)采集模塊發(fā)送消息與查看數(shù)據(jù).集中主控單元可以設(shè)置從機(jī)模塊的采樣周期、設(shè)置參數(shù)的越限定值以及向上位機(jī)軟件發(fā)送警告報(bào)文等.上位機(jī)軟件通過網(wǎng)絡(luò)與集中主控單元進(jìn)行通信，通過軟件可以進(jìn)行集中主控單元的遙控以及數(shù)據(jù)的綜合處理.

1.1.2 集中主控單元硬件設(shè)計(jì)

集中主控單元主芯片選擇型號(hào)為STM32F103ZET6的單片機(jī)微處理器.系統(tǒng)的集中主控單元的電路主要分為以下幾部分：數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、RS485通信電路、數(shù)據(jù)的顯示、按鍵操作等.為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與檢修的方便，在電源部分采用光耦隔離技術(shù)，按電路模塊功能分別進(jìn)行供電.其中，數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送通過STM32F103ZET6芯片自帶的串口以及后續(xù)電路控制實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)部分采用外擴(kuò)FLASH芯片實(shí)現(xiàn)；RS485通信電路部分采用MAX485典型電路設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)的顯示通過單片機(jī)總線控制液晶實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新顯示；按鍵操作則是單片機(jī)直接控制，在程序上進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn).集中主控單元的硬件電路框圖如圖1所示：

圖1 集中主控單元硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of centralized master control unit

1.1.3 集中主控單元程序流程圖

集中主控單元可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查看、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與發(fā)送等.程序流程如圖2所示.

圖2 集中主控單元程序流程Fig.2 Program flow chart of centralized master control unit

1.2 電壓檢測(cè)單元

針對(duì)目前電壓測(cè)量模塊精度不高、不能在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在充放電過程中測(cè)量不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，該單元利用1個(gè)六位半數(shù)字多功能萬用表結(jié)合后續(xù)電路實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)檢測(cè)蓄電池的端電壓數(shù)據(jù).該檢測(cè)單元只需要1個(gè)六位半數(shù)字多功能萬用表就可進(jìn)行多個(gè)蓄電池端電壓的測(cè)量，同時(shí)配合上位機(jī)軟件，就可以進(jìn)行蓄電池端電壓數(shù)據(jù)的連續(xù)測(cè)量與存儲(chǔ).

1.2.1 電壓檢測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

電壓檢測(cè)單元的硬件測(cè)量原理如圖3所示.硬件主芯片選擇型號(hào)為AT89C51的微處理器.該電壓檢測(cè)單元硬件電路主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路、MAX232轉(zhuǎn)換電路與繼電器切換電路.AT89C51芯片通過MAX232芯片與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信，同時(shí)提供向主控單元傳送數(shù)據(jù)的接口，其他I/O口控制繼電器的切換以保證在同一時(shí)刻只有一塊蓄電池在測(cè)量回路中.通過單片機(jī)編程與制定報(bào)文協(xié)議，就可以通過六位半數(shù)字多功能萬用表的串口進(jìn)行繼電器的控制與數(shù)據(jù)傳輸.通過這個(gè)硬件電路，可以進(jìn)行多塊蓄電池端電壓的高精度循環(huán)測(cè)量.

圖3 電壓檢測(cè)電路Fig.3 Voltage detecting circuit

1.2.2 電壓檢測(cè)單元放電數(shù)據(jù)采集

利用該單元對(duì)山東圣陽固定型閥控密封式GFM-200C型12塊蓄電池，以20A/h的放電率進(jìn)行放電，同時(shí)采集其端電壓數(shù)據(jù).取其3塊電池得到其放出容量與蓄電池端電壓的數(shù)據(jù)報(bào)表，如表1所示.根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖4所示.

表1 蓄電池放出容量與端電壓數(shù)據(jù)

通過數(shù)據(jù)及圖4曲線可以看出，蓄電池的端電壓隨著蓄電池容量的減少變化比較緩慢，采用精度高的測(cè)量?jī)x器可以在蓄電池容量變化很微小時(shí)更加精確地把握蓄電池容量與端電壓之間的關(guān)系.

1.3 內(nèi)阻檢測(cè)單元

蓄電池內(nèi)阻是反映電池性能的重要參數(shù).盡管密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻跟電池容量之間沒有觀察到嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系，無法根據(jù)單個(gè)電池的內(nèi)阻值去預(yù)測(cè)電池的使用壽命.但文獻(xiàn)[3]指出，電池內(nèi)阻的突然增大或電導(dǎo)的突然減小，則預(yù)示著電池壽命即將終止.目前的內(nèi)阻測(cè)試方法中交流注入法相對(duì)應(yīng)用比較廣泛，該方法不需對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，所以不會(huì)影響蓄電池的性能[4-7].而該文的內(nèi)阻檢測(cè)單元在交流法測(cè)內(nèi)阻的基礎(chǔ)上，采用鎖相放大技術(shù)，以提取微弱信號(hào)；采用差分交流信號(hào)輸入，以濾除噪聲干擾；在單片機(jī)的程序處理上，對(duì)輸入電壓、電流與A/D采樣值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用最小二乘法進(jìn)行處理以提高測(cè)量精度與準(zhǔn)確性.

1.3.1 內(nèi)阻檢測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

內(nèi)阻檢測(cè)單元功能的實(shí)現(xiàn)主要在于信號(hào)的放大提取與抗干擾的設(shè)計(jì).放大電路的設(shè)計(jì)主要采用高精度集成運(yùn)算放大器，同時(shí)進(jìn)行阻容濾波的處理.為了消除工模干擾，只放大差模信號(hào)，采用差分輸入電路.內(nèi)阻檢測(cè)單元測(cè)電池內(nèi)阻差分電路如圖5所示.

圖4 蓄電池放出容量與端電壓關(guān)系曲線Fig.4 Curve of battery release capacity and terminal voltage

圖5 差分測(cè)內(nèi)阻電路Fig.5 Differential resistance measurement circuit

1.3.2 內(nèi)阻檢測(cè)單元放電數(shù)據(jù)采集

利用該單元對(duì)山東圣陽固定型閥控密封式GFM-200C型12塊蓄電池,以20 A/h的放電率進(jìn)行放電，同時(shí)采集其內(nèi)阻數(shù)據(jù)，取其3塊電池得到其剩余容量與蓄電池內(nèi)阻的數(shù)據(jù)報(bào)表，如表2所示.根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制成曲線，如圖6所示.

表2 蓄電池剩余容量與內(nèi)阻數(shù)據(jù)

圖6 蓄電池放出容量與內(nèi)阻關(guān)系曲線Fig.6 Curve of battery release capacity and resistance

從圖6中可以看出，蓄電池的內(nèi)阻變化是比較微小的，利用精度高的測(cè)試設(shè)備才可以精確的把握蓄電池容量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系.

1.4 溫度檢測(cè)單元

蓄電池在進(jìn)行充、放電時(shí)內(nèi)部存在氧化還原反應(yīng)，氧化反應(yīng)放熱，還原反應(yīng)吸熱，但是由于內(nèi)阻的存在，充、放電過程均會(huì)產(chǎn)生熱量.研究表明：閥控蓄電池為15～25 ℃時(shí)，工作狀態(tài)最佳，溫度過高或是過低都會(huì)對(duì)蓄電池的整體性能產(chǎn)生影響[8].所以，對(duì)蓄電池本身以及運(yùn)行環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)是十分必要的.

該溫度檢測(cè)單元，主要使用DS18B20溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè).為了直接測(cè)量蓄電池的本身溫度，該單元直接測(cè)量蓄電池的極柱溫度.同時(shí)，溫度檢測(cè)單元采用了無線數(shù)據(jù)傳輸，將檢測(cè)單元采集到的溫度數(shù)據(jù)，無線傳送給集中主控單元.硬件原理圖如圖7所示.

圖7 溫度檢測(cè)電路Fig.7 Temperature sensing circuit

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使數(shù)據(jù)查看更加直觀，數(shù)據(jù)處理更加方便，以及操作更加便捷，本系統(tǒng)配合硬件設(shè)計(jì)了一款命名為蓄電池參數(shù)綜合測(cè)試儀的測(cè)試軟件.該軟件可以進(jìn)行電壓、內(nèi)阻、溫度的單次測(cè)量，可以啟動(dòng)連續(xù)測(cè)量、設(shè)置單元的采樣間隔、設(shè)置參數(shù)的越限定值、查看歷史數(shù)據(jù)等.該軟件通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與集中主控單元進(jìn)行交互.交互界面如圖8所示.

圖8 蓄電池參數(shù)綜合測(cè)試儀軟件界面Fig.8 Software interface of battery parameters comprehensive test instrument

3 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)的蓄電池參數(shù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可以在線連續(xù)檢測(cè)蓄電池的電壓、內(nèi)阻與溫度數(shù)據(jù).通過測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出該系統(tǒng)測(cè)量精度高,穩(wěn)定性好，可以更加精確地研究蓄電池電壓、內(nèi)阻等細(xì)小變化與蓄電池特性之間的關(guān)系.同時(shí)與現(xiàn)有的測(cè)試模塊相比，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：由于采用模塊化處理，可以測(cè)試蓄電池的單個(gè)參數(shù)，也可以多個(gè)參數(shù)同時(shí)測(cè)量；具有統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果準(zhǔn)確可靠；可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)可以自動(dòng)存儲(chǔ)；適用范圍廣，實(shí)用價(jià)值高.

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(責(zé)任編輯：王蘭英)

Design of the experimental system for battery parameter acquisition

LIU Suling1,ZHENG Guochao1,WU Xiaoguang1,XUE Zhanyu2

(1.College of Physics Science and Technology,Hebei University,Baoding 071002,China;2.Research and Development Center,Baoding Yuxin Electric Co.,LTD,Baoding 071052,China)

The characterizstic parameters such as voltage,resistance,and temperature of the battery and the relationship between them may reflect the complex internal changes of batteries.Therefore by detecting changes for voltage,resistance and temperature of the battery can provide some references for battery management.This paper describes a battery parameter acquisition experimental system based on lead-acid batteries.The system uses a multifunction digital multimeter to six and a half as an auxiliary measuring equipment,under the control of the follow-up circuit,and with the aid of software achieves a high accuracy,continuous,real-time measurement of voltage and data saving.The system uses the differential amplifier circuit,and makes use of the method of least squares to calibrate and to improve the accuracy and stability of resistance testing.The measurement results will be sent to the measurement collection terminals to display on the LCD screen.Meanwhile,through a dedicated software it can also achieve remote monitoring,parameters acquiring and data processing.The system makes use of Altium Designer electronic product development system to design hardware board, and makes use of C and C++ language to write hardware and software programs.Practices shows that the system is of high accuracy,and good stability,and has a high practical value for the study of the integrated nature of the battery .

battery；parameters collection；method of least squares

10.3969/j.issn.1000-1565.2017.02.015

2016-07-28

河北省科技廳資助項(xiàng)目(12214515)；河北大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(2009161)

劉素玲(1970—)，女，河北保定人，河北大學(xué)副教授，博士，主要從事電子測(cè)量和電磁兼容方向研究. Email：1487188826@qq.com

Q

A

1000-1565(2017)02-0201-07