机车蓄电池性能监测仪的研究与设计

袁开鸿，章若冰

(1.中南大学信息工程学院，湖南长沙 410083；2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)

机车蓄电池性能监测仪的研究与设计

袁开鸿1,2，章若冰2

(1.中南大学信息工程学院，湖南长沙 410083；2.湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)

介绍一种基于ARM芯片的机车蓄电池性能监测仪的设计。该蓄电池性能监测仪能够完成2、4、6和12 V单体电池和蓄电池组的核对性放电实验，能够对蓄电池容量进行快速测量，能够停电后在线监测蓄电池容量及充电电压检测。通过上位机，还可以完成蓄电池测试数据的管理。测试精度高、操作简单灵活、可靠性高。

蓄电池技术；ARM；核对性放电；短时容量测试

机车蓄电池主要用于柴油发电机机组供电和电源的启动电源。空调客车装备有大量的蓄电池组，保证照明、通风及控制电器使用不间断电源，提供后备直流电源[1]。因此对蓄电池的性能需要能够准确、及时地测量和维护。本论文基于ARM芯片设计了一款智能蓄电池性能监测仪器，能够完成2、4、6和12 V单体电池和蓄电池组的核对性放电实验，能够对蓄电池容量进行快速测量，能够停电后在线监测蓄电池容量及充电电压检测。通过上位机，还可以完成蓄电池测试数据的管理[2]。

1 系统原理

系统结构图如图1所示。该监测仪能够测量24、48、110和220 V系列蓄电池组以及2、4、6和12 V单体电池，其放电电流为0～300 A，主要由主机模块、采集分机模块和上位机管理模块等组成[3]。

主机模块是监测仪的核心，负责蓄电池放电控制、模拟量的测量、数据显示、采集分机的管理和与上位机的通讯；采集分机模块负责单体电池和电池组电压、电流和容量等测量[4]；通讯模块负责与PC机的数据传输；上位机管理模块可以对蓄电池数据进行分析、处理，实现综合管理[5]。蓄电池放电过程中，主机模块通过有线或无线模块控制采集分机模块测量各电池电压并读回电压值，以实现监测功能。与此同时，通讯终端盒还将各电池电压、总电压、总电流等数据实时传给PC机，PC机的软件又可对放电数据进行实时监测[6]。放电结束后，数据还将保存到主机内部EEPROM中，用户可以直接查看数据，也可通过U盘转存数据后到PC上分析数据。

图1 系统结构框图

2 硬件系统设计

2.1 主机模块设计

主机模块对蓄电池放电进行控制，测量蓄电池总电压和总电流。以ARM芯片LPC2136为核心[7]，扩展外围电路构成，电路结构如图2所示。LPC2136是32位ARM7TDMI-STM CPU，具有很强的数据处理能力，配置了丰富的接口资源，内部多通道10位精度A/D接口，完全满足电池电压、电流数据的采集，不需要增加外围A/D芯片，简化了电路设计。监测仪采用新型PTC陶瓷电阻作为蓄电池放电负载，避免了红热现象，安全可靠无污染，LPC2136通过CPLD扩展I/O接口连接放电控制板，MOSFET与PTC电阻串联，采用PID方式控制MOSFET导通与关断，就能控制蓄电池流过PTC电阻上的放电电流。

主机模块通过LCD液晶显示器和按键构成人机交互电路。LCD12864液晶显示器能够显示4×8个汉字，通过总线与ARM芯片连接，检测仪的操作、参数设置、数据显示、通讯设置等，都能够通过LCD显示电路和按键电路完成。

监测仪支持多种存储和通讯方式，需要掉电保存的一些参数，存储在EEPROM芯片24C1024中，通过I2C总线与LPC2136连接通讯。测试数据可以通过U盘电路保存在U盘中，也可以通过RS485总线传输给上位机，还可以通过无线传输模块NRF905传输给上位机。

蓄电池组的总电压和总电流测量，由LPC2136内部A/D模块完成，外接信号调理电路，信号调理电路采用仪表放大器INA128UA和低通滤波电路，将蓄电池电压和电流信号幅度调理到A/D输入的合适范围，噪音干扰减小到最低，输入A/D模块，提高测量精度。

图2 主机结构框图

2.2 采集分机模块设计

采集分机采集蓄电池组的单体电压和电流，一个分机可以采集2或4 V单体电池12节，6或12 V单体电池4节，多个分机可以同时使用，采用RS485总线方式和主机通讯，将采集数据传送给主机模块。分机电路结构图如图3所示。

图3 分机电路结构图

采集分机模块电路主要由CPU电路、存储电路、通讯电路、通道选择电路、单体电池测量电路等组成。ARM芯片LPC2132、复位电路和电源电路构成CPU电路，接收主机命令，完成采集任务；蓄电池组的单体电池电压存在差异，因此设计两种采集电路，兼容大多数单体电池电压的采集：一种是2或4 V电压采集电路，另外一种是6或12 V电压采集电路，采集电路采用仪表放大器INA126作为信号调理电路，差分输入，单端输出，将电池组的单体电池电压进行分压和降噪处理；分机采集利用ARM芯片LPC2132内部A/D模块实现，采集电池的数量大于A/D通道数，因此需要分时选择采集，调理电路后需连接A/D通道选择电路，输入ARM内部A/D，完成采集；考虑到通讯的安全性和可靠性，RS485电路采用光电耦合器实现CPU电路和RS485电路的隔离，通讯电路有问题的情况下，不至于影响CPU电路，利用MAX485CSA芯片完成LPC2132芯片UART信号到RS485信号的转换。

3 系统软件设计

监测仪的软件由主机软件、分机软件和上位机管理软件三个部分组成。主机软件是检测仪软件设计的核心部分，负责蓄电池的放电控制、电压采集、存储、分机采集控制、通讯管理和上位机数据传输等任务；分机软件部分负责接收主机命令，采集单体电池电压数据，传输给主机；上位机可以通过RS232总线或无线方式与监测仪主机通讯，通过上位机软件实现放电监测、U盘数据读取、数据管理、报表打印等功能。

3.1 主机软件设计

程序开发采用了ARM Developer Suite V1.2编译系统。程序编译后下载到ARM芯片LPC2136内的Flash ROM中。代码编写采用模块化设计，包括低层驱动、用户接口控件、用户应用三个类型的代码，菜单管理，层次分明，实现菜单设置、放电控制、测试控制、存储控制等功能，主机软件功能结构示意图，如图4所示。

图4 主机软件功能结构图

放电并进行测试是监测仪的主要功能，需要完成本机放电、核对性放电和短时容量测试。本机放电时，为了准确控制放电电流的大小，需要循环检测实际电流大小，再与设定值比较，根据误差通过PID计算来调节控制量，从而使得实际放电电流不断逼近设定的放电电流。放电控制流程图如图5所示。

核对性放电，就是对蓄电池放电是要满足一定条件，只有当这些条件都满足时才可以控制放电，有一个放电的条件不满足都会停止放电。条件如下：(1)完成放电时间没到；(2)蓄电池总电压不低于设定的最低总电压；(3)蓄电池每节电池电压不低于最低电池电压；(4)蓄电池放电容量没达到设定的允许放电容量值；(5)用户不强制终止放电。

蓄电池容量测试的方法有很多，最直接的方法是：对蓄电池进行放电，按照额定电流放电，测量出蓄电池按额定电流放电到终止电压的时间，测出蓄电池容量。但这种方法存在着缺点：一是测到容量后，蓄电池电已经放完；二是测试时间较长。为克服这些缺点，监测仪采用短时放电容量测试的方法来测试容量，方法是：对蓄电池进行大电流放电10～20 min，监测其放电电压下降趋势。由于电池容量和电压有一定的关系，所以通过分析电压下降趋势，估算出容量下降的趋势，进而估算出电池容量，此种方法需要进行大量数据实验，建立数学模型，才能保证测试的准确性。

图5 放电控制流程图

3.2 分机软件设计

监测仪主机控制采集分机测量各电池电压，然后将其结果读回，以便存储处理。主机主要发送检查命令、采样命令、读数据命令、设置分机号命令给采集分机，采集分机从主机接受命令，主机发命令给采集分机(发读取数据命令除外)，采集分机处理命令并准备需要回传的数据，但并不回传数据。只有当主机发送读数据命令后，采集分机才将准备好的数据回传给主机。当主机发校正命令后，再发读数据命令时，采集分机回传的数据表示校正系数；当主机发广播校正命令时，将实际测量的电压值也一同发给所有采集分机，所有采集分机接收到命令后马上进行校正，校正完成后将校正结果准备好，当收到主机读数据命令后才将数据传给主机；当主机发送设置分机号命令时，采集分机设置目标号码。

4 数据测量

监测仪数据主要是核对性放电和短时容量测试采集的电压、电流数值。核对性放电需要设置电池组类型、电池类型、电池数量、放电电流、总终止电压、单节终止电压、放电容量、放电时间等参数。其中，电池组类型有24/48/110/220 V 4种选择。电池类型有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种选择。

进入到放电界面后，监测仪1 min后才会开始放电，主要是为了在放电前先测量各电池电压，以便让测试人员了解这组电池的状况。在电池放电界面中，电池容量是已放出的电池组的容量，电压是电池组总电压，电流是实际放电电流，最低电池电压是指在放电过程中电压最低的电池。图6是电池组总电压和电流测试结果示意图，图7是单体电池电压测试结果示意图。

图6 电池组电压和电流测试示意图

图7 单体电池电压测试示意图

5 结论

蓄电池性能监测仪采用主机和分机的模块化结构，适用于多种类型的蓄电池测试，广泛应用于铁路、电力、通讯等行业。经测试，本监测仪能够很好地完成核对性放电和短时容量测试等蓄电池性能测试，并且能够通过上位机实现蓄电池性能的实时监测和数据管理，具有测试精度高，操作简单灵活，可靠性好等特点，能够很好地满足蓄电池测试和维护的需要。

[1]黄薇，李丽，曾兵，等.基于霍尔传感器的铅酸蓄电池检测系统的设计[J].电子世界，2012(23)：113-114.

[2]丁电宽，李艾华，张明见.基于MAX197的蓄电池检测管理测试仪设计与实现[J].测控技术，2012(1):30-33.

[3]姜印平，刘江江，李杰.基于MSP430单片机的智能电池检测仪[J].仪器仪表学报，2008，29(5):1041-1042.

[4]包天悦，蒋京颐，曹雪.铅酸蓄电池组蓄电容量的计算机在线检测系统[J].仪器仪表学报，2010,31(8):60-62.

[5]廖明.基于嵌入式linux的铅酸蓄电池监测系统设计[D].武汉：华中科技大学，2009.

[6]孟荣爱.基于ARM的蓄电池检测仪的研制[D].济南：山东轻工业学院，2012.

[7]张家敏，曾洁，张艳丽，等.电动汽车的蓄电池监测系统设计[J].仪器仪表学报，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

袁开鸿(1964—)，男，湖南省人，讲师，研究方向为应用电子技术和计算机技术。

章若冰(1984—)，女，湖南省人，讲师，主要研究方向为电子技术。