機車蓄電池性能監測儀的研究與設計

袁開鴻，章若冰

(1.中南大學信息工程學院，湖南長沙 410083；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲 412001)

機車蓄電池性能監測儀的研究與設計

袁開鴻1,2，章若冰2

(1.中南大學信息工程學院，湖南長沙 410083；2.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲 412001)

介紹一種基于ARM芯片的機車蓄電池性能監測儀的設計。該蓄電池性能監測儀能夠完成2、4、6和12 V單體電池和蓄電池組的核對性放電實驗，能夠對蓄電池容量進行快速測量，能夠停電后在線監測蓄電池容量及充電電壓檢測。通過上位機，還可以完成蓄電池測試數據的管理。測試精度高、操作簡單靈活、可靠性高。

蓄電池技術；ARM；核對性放電；短時容量測試

機車蓄電池主要用于柴油發電機機組供電和電源的啟動電源。空調客車裝備有大量的蓄電池組，保證照明、通風及控制電器使用不間斷電源，提供后備直流電源[1]。因此對蓄電池的性能需要能夠準確、及時地測量和維護。本論文基于ARM芯片設計了一款智能蓄電池性能監測儀器，能夠完成2、4、6和12 V單體電池和蓄電池組的核對性放電實驗，能夠對蓄電池容量進行快速測量，能夠停電后在線監測蓄電池容量及充電電壓檢測。通過上位機，還可以完成蓄電池測試數據的管理[2]。

1 系統原理

系統結構圖如圖1所示。該監測儀能夠測量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，主要由主機模塊、采集分機模塊和上位機管理模塊等組成[3]。

主機模塊是監測儀的核心，負責蓄電池放電控制、模擬量的測量、數據顯示、采集分機的管理和與上位機的通訊；采集分機模塊負責單體電池和電池組電壓、電流和容量等測量[4]；通訊模塊負責與PC機的數據傳輸；上位機管理模塊可以對蓄電池數據進行分析、處理，實現綜合管理[5]。蓄電池放電過程中，主機模塊通過有線或無線模塊控制采集分機模塊測量各電池電壓并讀回電壓值，以實現監測功能。與此同時，通訊終端盒還將各電池電壓、總電壓、總電流等數據實時傳給PC機，PC機的軟件又可對放電數據進行實時監測[6]。放電結束后，數據還將保存到主機內部EEPROM中，用戶可以直接查看數據，也可通過U盤轉存數據后到PC上分析數據。

圖1 系統結構框圖

2 硬件系統設計

2.1 主機模塊設計

主機模塊對蓄電池放電進行控制，測量蓄電池總電壓和總電流。以ARM芯片LPC2136為核心[7]，擴展外圍電路構成，電路結構如圖2所示。LPC2136是32位ARM7TDMI-STM CPU，具有很強的數據處理能力，配置了豐富的接口資源，內部多通道10位精度A/D接口，完全滿足電池電壓、電流數據的采集，不需要增加外圍A/D芯片，簡化了電路設計。監測儀采用新型PTC陶瓷電阻作為蓄電池放電負載，避免了紅熱現象，安全可靠無污染，LPC2136通過CPLD擴展I/O接口連接放電控制板，MOSFET與PTC電阻串聯，采用PID方式控制MOSFET導通與關斷，就能控制蓄電池流過PTC電阻上的放電電流。

主機模塊通過LCD液晶顯示器和按鍵構成人機交互電路。LCD12864液晶顯示器能夠顯示4×8個漢字，通過總線與ARM芯片連接，檢測儀的操作、參數設置、數據顯示、通訊設置等，都能夠通過LCD顯示電路和按鍵電路完成。

監測儀支持多種存儲和通訊方式，需要掉電保存的一些參數，存儲在EEPROM芯片24C1024中，通過I2C總線與LPC2136連接通訊。測試數據可以通過U盤電路保存在U盤中，也可以通過RS485總線傳輸給上位機，還可以通過無線傳輸模塊NRF905傳輸給上位機。

蓄電池組的總電壓和總電流測量，由LPC2136內部A/D模塊完成，外接信號調理電路，信號調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幅度調理到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 主機結構框圖

2.2 采集分機模塊設計

采集分機采集蓄電池組的單體電壓和電流，一個分機可以采集2或4 V單體電池12節，6或12 V單體電池4節，多個分機可以同時使用，采用RS485總線方式和主機通訊，將采集數據傳送給主機模塊。分機電路結構圖如圖3所示。

圖3 分機電路結構圖

采集分機模塊電路主要由CPU電路、存儲電路、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、復位電路和電源電路構成CPU電路，接收主機命令，完成采集任務；蓄電池組的單體電池電壓存在差異，因此設計兩種采集電路，兼容大多數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作為信號調理電路，差分輸入，單端輸出，將電池組的單體電池電壓進行分壓和降噪處理；分機采集利用ARM芯片LPC2132內部A/D模塊實現，采集電池的數量大于A/D通道數，因此需要分時選擇采集，調理電路后需連接A/D通道選擇電路，輸入ARM內部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現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信號到RS485信號的轉換。

3 系統軟件設計

監測儀的軟件由主機軟件、分機軟件和上位機管理軟件三個部分組成。主機軟件是檢測儀軟件設計的核心部分，負責蓄電池的放電控制、電壓采集、存儲、分機采集控制、通訊管理和上位機數據傳輸等任務；分機軟件部分負責接收主機命令，采集單體電池電壓數據，傳輸給主機；上位機可以通過RS232總線或無線方式與監測儀主機通訊，通過上位機軟件實現放電監測、U盤數據讀取、數據管理、報表打印等功能。

3.1 主機軟件設計

程序開發采用了ARM Developer Suite V1.2編譯系統。程序編譯后下載到ARM芯片LPC2136內的Flash ROM中。代碼編寫采用模塊化設計，包括低層驅動、用戶接口控件、用戶應用三個類型的代碼，菜單管理，層次分明，實現菜單設置、放電控制、測試控制、存儲控制等功能，主機軟件功能結構示意圖，如圖4所示。

圖4 主機軟件功能結構圖

放電并進行測試是監測儀的主要功能，需要完成本機放電、核對性放電和短時容量測試。本機放電時，為了準確控制放電電流的大小，需要循環檢測實際電流大小，再與設定值比較，根據誤差通過PID計算來調節控制量，從而使得實際放電電流不斷逼近設定的放電電流。放電控制流程圖如圖5所示。

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

蓄電池容量測試的方法有很多，最直接的方法是：對蓄電池進行放電，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間，測出蓄電池容量。但這種方法存在著缺點：一是測到容量后，蓄電池電已經放完；二是測試時間較長。為克服這些缺點，監測儀采用短時放電容量測試的方法來測試容量，方法是：對蓄電池進行大電流放電10～20 min，監測其放電電壓下降趨勢。由于電池容量和電壓有一定的關系，所以通過分析電壓下降趨勢，估算出容量下降的趨勢，進而估算出電池容量，此種方法需要進行大量數據實驗，建立數學模型，才能保證測試的準確性。

圖5 放電控制流程圖

3.2 分機軟件設計

監測儀主機控制采集分機測量各電池電壓，然后將其結果讀回，以便存儲處理。主機主要發送檢查命令、采樣命令、讀數據命令、設置分機號命令給采集分機，采集分機從主機接受命令，主機發命令給采集分機(發讀取數據命令除外)，采集分機處理命令并準備需要回傳的數據，但并不回傳數據。只有當主機發送讀數據命令后，采集分機才將準備好的數據回傳給主機。當主機發校正命令后，再發讀數據命令時，采集分機回傳的數據表示校正系數；當主機發廣播校正命令時，將實際測量的電壓值也一同發給所有采集分機，所有采集分機接收到命令后馬上進行校正，校正完成后將校正結果準備好，當收到主機讀數據命令后才將數據傳給主機；當主機發送設置分機號命令時，采集分機設置目標號碼。

4 數據測量

監測儀數據主要是核對性放電和短時容量測試采集的電壓、電流數值。核對性放電需要設置電池組類型、電池類型、電池數量、放電電流、總終止電壓、單節終止電壓、放電容量、放電時間等參數。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。

進入到放電界面后，監測儀1 min后才會開始放電，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果示意圖，圖7是單體電池電壓測試結果示意圖。

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 結論

蓄電池性能監測儀采用主機和分機的模塊化結構，適用于多種類型的蓄電池測試，廣泛應用于鐵路、電力、通訊等行業。經測試，本監測儀能夠很好地完成核對性放電和短時容量測試等蓄電池性能測試，并且能夠通過上位機實現蓄電池性能的實時監測和數據管理，具有測試精度高，操作簡單靈活，可靠性好等特點，能夠很好地滿足蓄電池測試和維護的需要。

[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的設計[J].電子世界，2012(23)：113-114.

[2]丁電寬，李艾華，張明見.基于MAX197的蓄電池檢測管理測試儀設計與實現[J].測控技術，2012(1):30-33.

[3]姜印平，劉江江，李杰.基于MSP430單片機的智能電池檢測儀[J].儀器儀表學報，2008，29(5):1041-1042.

[4]包天悅，蔣京頤，曹雪.鉛酸蓄電池組蓄電容量的計算機在線檢測系統[J].儀器儀表學報，2010,31(8):60-62.

[5]廖明.基于嵌入式linux的鉛酸蓄電池監測系統設計[D].武漢：華中科技大學，2009.

[6]孟榮愛.基于ARM的蓄電池檢測儀的研制[D].濟南：山東輕工業學院，2012.

[7]張家敏，曾潔，張艷麗，等.電動汽車的蓄電池監測系統設計[J].儀器儀表學報，2006(S1):235-237.

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，研究方向為應用電子技術和計算機技術。

章若冰(1984—)，女，湖南省人，講師，主要研究方向為電子技術。