蓄电池参数采集实验系统设计

刘素玲,郑国超,吴晓光,薛占钰

(1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002；2.保定钰鑫电气科技有限公司 研发中心，河北 保定071052)



蓄电池参数采集实验系统设计

刘素玲1,郑国超1,吴晓光1,薛占钰2

(1.河北大学 物理科学与技术学院，河北 保定 071002；2.保定钰鑫电气科技有限公司 研发中心，河北 保定071052)

蓄电池的电压、内阻、温度等可测量的表征参数以及它们之间的关系可以反映蓄电池复杂的内部变化.因此，通过监测蓄电池的电压、内阻、温度等的变化可以为蓄电池管理提供一定的参考.该文以铅酸蓄电池为研究对象，设计搭建了一套蓄电池参数采集实验系统.该系统以六位半多功能数字万用表作为辅助测量设备，在后续电路的控制下，通过软件实现高精度、连续、实时测量电压与保存数据；采用差分放大电路，并利用最小二乘法进行标定以提高内阻测试的精度与稳定性.最终将测量结果发送到参数采集终端，显示在液晶屏幕上.同时，通过专用软件可以实现远程监测、参数采集以及数据处理等功能.该系统利用AltiumDesigner电子产品开发系统设计硬件电路板，利用C与C++语言编写硬件与软件程序.实践表明，该系统测量结果精度高，稳定性好，对于研究蓄电池的综合特性具有较高的实用价值.

蓄电池；参数采集；最小二乘法

蓄电池是1859年由法国人普兰特发明的，至今已有100多年的历史，其作为后备电源，在很多领域都有重要应用.而蓄电池的特性研究也一直是蓄电池行业研究的热点与难点[1-2].目前，人们经常使用的蓄电池参数检测仪器大多数功能单一、精度不足.比如，有文献指出，在蓄电池容量高于60%时，其内阻没有变化.但是，利用高精度的仪表测试发现，其内阻数值在μΩ数量级上还是有变化的.大多数的仪器仪表也不能实现在线、实时、连续的检测.

针对以上不足，该蓄电池参数采集实验系统不仅实现了在线、自动、实时、连续检测功能，还可以进行数据的存储与分析处理.其主要用来完成以下几方面的功能：单体蓄电池端电压检测、单体蓄电池内阻检测、单体蓄电池温度检测、数据的传输与综合处理等.该系统采用友好的人机界面，数据显示直观.

1 系统硬件设计

系统的硬件部分主要包括：集中主控单元、电压检测单元、内阻检测单元与温度检测单元.

1.1 集中主控单元

1.1.1 集中主控单元功能说明

蓄电池参数采集实验系统采用主-从机模式.集中主控单元作为主机，采集单元作为从机，集中主控单元负责向各个从机发送命令，接收来自各个从机的报文数据并对接收到的数据进行处理运算，然后将结果显示在液晶屏幕上.集中主控单元通过RS485协议与各个从机进行通讯，通过按键向各个采集模块发送消息与查看数据.集中主控单元可以设置从机模块的采样周期、设置参数的越限定值以及向上位机软件发送警告报文等.上位机软件通过网络与集中主控单元进行通信，通过软件可以进行集中主控单元的遥控以及数据的综合处理.

1.1.2 集中主控单元硬件设计

集中主控单元主芯片选择型号为STM32F103ZET6的单片机微处理器.系统的集中主控单元的电路主要分为以下几部分：数据的接收与发送、数据的存储、RS485通信电路、数据的显示、按键操作等.为了保证系统的稳定性与检修的方便，在电源部分采用光耦隔离技术，按电路模块功能分别进行供电.其中，数据的接收与发送通过STM32F103ZET6芯片自带的串口以及后续电路控制实现；数据的存储部分采用外扩FLASH芯片实现；RS485通信电路部分采用MAX485典型电路设计；数据的显示通过单片机总线控制液晶实现实时更新显示；按键操作则是单片机直接控制，在程序上进行设计实现.集中主控单元的硬件电路框图如图1所示：

图1 集中主控单元硬件框图Fig.1 Hardware diagram of centralized master control unit

1.1.3 集中主控单元程序流程图

集中主控单元可以进行数据查看、参数设置、数据存储与发送等.程序流程如图2所示.

图2 集中主控单元程序流程Fig.2 Program flow chart of centralized master control unit

1.2 电压检测单元

针对目前电压测量模块精度不高、不能在线实时监测和在充放电过程中测量不准确的缺点，该单元利用1个六位半数字多功能万用表结合后续电路实现在线连续检测蓄电池的端电压数据.该检测单元只需要1个六位半数字多功能万用表就可进行多个蓄电池端电压的测量，同时配合上位机软件，就可以进行蓄电池端电压数据的连续测量与存储.

1.2.1 电压检测单元硬件设计

电压检测单元的硬件测量原理如图3所示.硬件主芯片选择型号为AT89C51的微处理器.该电压检测单元硬件电路主要包括：单片机控制电路、MAX232转换电路与继电器切换电路.AT89C51芯片通过MAX232芯片与上位机软件进行通信，同时提供向主控单元传送数据的接口，其他I/O口控制继电器的切换以保证在同一时刻只有一块蓄电池在测量回路中.通过单片机编程与制定报文协议，就可以通过六位半数字多功能万用表的串口进行继电器的控制与数据传输.通过这个硬件电路，可以进行多块蓄电池端电压的高精度循环测量.

图3 电压检测电路Fig.3 Voltage detecting circuit

1.2.2 电压检测单元放电数据采集

利用该单元对山东圣阳固定型阀控密封式GFM-200C型12块蓄电池，以20A/h的放电率进行放电，同时采集其端电压数据.取其3块电池得到其放出容量与蓄电池端电压的数据报表，如表1所示.根据表中数据绘制成曲线，如图4所示.

表1 蓄电池放出容量与端电压数据

通过数据及图4曲线可以看出，蓄电池的端电压随着蓄电池容量的减少变化比较缓慢，采用精度高的测量仪器可以在蓄电池容量变化很微小时更加精确地把握蓄电池容量与端电压之间的关系.

1.3 内阻检测单元

蓄电池内阻是反映电池性能的重要参数.尽管密封铅酸蓄电池内阻跟电池容量之间没有观察到严格的数学关系，无法根据单个电池的内阻值去预测电池的使用寿命.但文献[3]指出，电池内阻的突然增大或电导的突然减小，则预示着电池寿命即将终止.目前的内阻测试方法中交流注入法相对应用比较广泛，该方法不需对蓄电池进行放电，所以不会影响蓄电池的性能[4-7].而该文的内阻检测单元在交流法测内阻的基础上，采用锁相放大技术，以提取微弱信号；采用差分交流信号输入，以滤除噪声干扰；在单片机的程序处理上，对输入电压、电流与A/D采样值之间的对应关系，采用最小二乘法进行处理以提高测量精度与准确性.

1.3.1 内阻检测单元硬件设计

内阻检测单元功能的实现主要在于信号的放大提取与抗干扰的设计.放大电路的设计主要采用高精度集成运算放大器，同时进行阻容滤波的处理.为了消除工模干扰，只放大差模信号，采用差分输入电路.内阻检测单元测电池内阻差分电路如图5所示.

图4 蓄电池放出容量与端电压关系曲线Fig.4 Curve of battery release capacity and terminal voltage

图5 差分测内阻电路Fig.5 Differential resistance measurement circuit

1.3.2 内阻检测单元放电数据采集

利用该单元对山东圣阳固定型阀控密封式GFM-200C型12块蓄电池,以20 A/h的放电率进行放电，同时采集其内阻数据，取其3块电池得到其剩余容量与蓄电池内阻的数据报表，如表2所示.根据表中数据绘制成曲线，如图6所示.

表2 蓄电池剩余容量与内阻数据

图6 蓄电池放出容量与内阻关系曲线Fig.6 Curve of battery release capacity and resistance

从图6中可以看出，蓄电池的内阻变化是比较微小的，利用精度高的测试设备才可以精确的把握蓄电池容量与蓄电池内阻之间的关系.

1.4 温度检测单元

蓄电池在进行充、放电时内部存在氧化还原反应，氧化反应放热，还原反应吸热，但是由于内阻的存在，充、放电过程均会产生热量.研究表明：阀控蓄电池为15～25 ℃时，工作状态最佳，温度过高或是过低都会对蓄电池的整体性能产生影响[8].所以，对蓄电池本身以及运行环境温度进行实时检测是十分必要的.

该温度检测单元，主要使用DS18B20温度传感器进行温度检测.为了直接测量蓄电池的本身温度，该单元直接测量蓄电池的极柱温度.同时，温度检测单元采用了无线数据传输，将检测单元采集到的温度数据，无线传送给集中主控单元.硬件原理图如图7所示.

图7 温度检测电路Fig.7 Temperature sensing circuit

2 系统软件设计

为了使数据查看更加直观，数据处理更加方便，以及操作更加便捷，本系统配合硬件设计了一款命名为蓄电池参数综合测试仪的测试软件.该软件可以进行电压、内阻、温度的单次测量，可以启动连续测量、设置单元的采样间隔、设置参数的越限定值、查看历史数据等.该软件通过网络协议与集中主控单元进行交互.交互界面如图8所示.

图8 蓄电池参数综合测试仪软件界面Fig.8 Software interface of battery parameters comprehensive test instrument

3 结论

该文设计的蓄电池参数采集实验系统可以在线连续检测蓄电池的电压、内阻与温度数据.通过测量数据可以看出该系统测量精度高,稳定性好，可以更加精确地研究蓄电池电压、内阻等细小变化与蓄电池特性之间的关系.同时与现有的测试模块相比，还具有如下优点：由于采用模块化处理，可以测试蓄电池的单个参数，也可以多个参数同时测量；具有统一的检测标准，结果准确可靠；可以实现远程监测，数据可以自动存储；适用范围广，实用价值高.

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[3] 潘丽云.阀控铅酸蓄电池达不到设计使用寿命的分析及对策[J].科学之友,2009,4(11):151-153.

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(责任编辑：王兰英)

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

河北省科技厅资助项目(12214515)；河北大学博士基金资助项目(2009161)

刘素玲(1970—)，女，河北保定人，河北大学副教授，博士，主要从事电子测量和电磁兼容方向研究. Email：1487188826@qq.com

Q

A

1000-1565(2017)02-0201-07