船用蓄電池-組合結(jié)構(gòu)與保養(yǎng)

　　船舶用鉛酸蓄電池組是許多船用動(dòng)力源或應(yīng)急電源，因此電池組的性能直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。為了提高蓄電池的使用壽命，保證可靠運(yùn)行，需要經(jīng)常對蓄電池進(jìn)行檢測和周期治療。早期，對船用蓄電池的檢測都是采用萬用表測量蓄電池端電壓的方法，測量精度不高，測量速度慢。近年來，國內(nèi)多家機(jī)構(gòu)開始研制蓄電池的自動(dòng)化監(jiān)測設(shè)備，主要應(yīng)用于陸地電信通信、電力供應(yīng)、微波站等領(lǐng)域。
　　
　　通過大量的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，我國的電池檢測設(shè)備大多是前幾年研制開發(fā)的產(chǎn)品，目前對船用蓄電池的智能檢測還是停留在研究方面，而且多采用8位單片機(jī)，系統(tǒng)集成度不高。針對蓄電池檢測系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，筆者采用凌陽SPCE061A16位單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理核心，設(shè)計(jì)并調(diào)試了能夠同時(shí)檢測蓄電池的端電壓、電流和溫度的檢測儀。
　　
　　1、蓄電池檢測的原理船用蓄電池組的動(dòng)力蓄電池通常由多節(jié)單體電池串聯(lián)或者并聯(lián)構(gòu)成，例如在6-Q-120電池組中，每個(gè)單體電池是8片正極板、9片負(fù)極板，共17片極板構(gòu)成的，它的容量為120Ah.每個(gè)單體電池的電動(dòng)勢是2V左右，6個(gè)單體電池串聯(lián)組成了電池組，電池組的電動(dòng)勢是12V。在多個(gè)單體電池串聯(lián)組成的系統(tǒng)中，單個(gè)電池故障就會影響到整個(gè)系統(tǒng)，因此要對電池的充電和放電過程進(jìn)行系統(tǒng)的檢測，在線實(shí)時(shí)檢測蓄電池沖放電的每個(gè)階段電池的電壓、電流、電池體的溫度等，及時(shí)找出損壞的和性能顯著降低的電池，可以提高整個(gè)電池系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
　　
　　蓄電池組的狀態(tài)檢測按照IR綜合分析法的理念對單體電池進(jìn)行相應(yīng)容量的放電測試，從而得出單體電池的電流、電壓、內(nèi)阻、容量，各電量中如果有超過標(biāo)準(zhǔn)值的系統(tǒng)就進(jìn)行報(bào)警。IR綜合分析法的原理是電池組在浮充狀態(tài)下，利用恒定負(fù)載對每節(jié)電池輪流短時(shí)放電，采集電流、電壓值，由程序計(jì)算放電電流、電池內(nèi)阻、電池單體在線端電壓、電池保有容量和電池活性度，進(jìn)行判斷電池優(yōu)劣的方法。
　　
　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由于船用電池檢測的特殊性，電池?cái)?shù)量較多，因此要求檢測系統(tǒng)的體積相對比較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，方便安裝調(diào)試和維護(hù)。系統(tǒng)硬件主要包括：單片機(jī)主控電路、溫度采集電路、電壓采集電路、電流采集電路、多路模擬開關(guān)電路、鍵盤和LCD（LiquidCrystalDisplay）顯示電路等。
　　
　　2.1、單片機(jī)主控電路系統(tǒng)主控電路主要完成蓄電池電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)的處理和顯示，以及自動(dòng)報(bào)警等功能?？刂破餍酒捎昧桕柟鹃_發(fā)的一款帶語音功能的16位單片機(jī)，它內(nèi)嵌2K字SRAM，32K字閃存Flash，032049152MHz的CPU時(shí)鐘，兩個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，32位通用可編程輸入/輸出段A口和B口，14個(gè)中斷源，具有觸鍵喚醒功能，還有7通道10位的A/D轉(zhuǎn)換器，A/D采集范圍為033V，精度為293mV，單通道聲音模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和兩路10位D/A轉(zhuǎn)換輸出通道，可編程串行通信接口，內(nèi)置看門狗監(jiān)視器和在線仿真電路ICE（InCircuitEmulator）接口。
　　
　　2.2、溫度采集電路溫度是蓄電池性能的一個(gè)重要參數(shù)，除了電化學(xué)反應(yīng)的吸熱和放熱外，在充放電過程中，由于電池內(nèi)阻的存在，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量也會引起電池的溫度發(fā)生變化。在同樣電流的條件下，電池內(nèi)阻不同，電池內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不同，電池的溫度就不同。溫度的檢測采用美國AD公司生產(chǎn)的低電源電壓模擬集成溫度傳感器TMP36，該器件是一個(gè)三端的器件，能把采集到的溫度值直接轉(zhuǎn)換成電壓值，電壓與攝氏溫度成正比，測溫時(shí)不需要進(jìn)行溫標(biāo)轉(zhuǎn)換，功耗低，靜態(tài)工作電流僅為50A，非線性誤差為05，測溫范圍是-40125，zui高可達(dá)150.為了保證輸出的電壓信號穩(wěn)定和減少傳輸過程中電壓的衰減，在電壓信號輸出端連接一個(gè)電壓跟隨器，然后經(jīng)過濾波后送到單片機(jī)的IOA0口，經(jīng)單片機(jī)處理后送LCD顯示。
　　
　　2.3、電壓采集電路電壓的采集采用電阻分壓的方法，這種方法可以極大地降低成本，也能夠得到較好的數(shù)據(jù)值。為了不影響電路中的電流，測量總電阻要很大，用兩個(gè)電阻將待測電壓分壓成03V供單片機(jī)采集，然后再經(jīng)過計(jì)算得到實(shí)際的電壓值。對電路中電阻兩端電壓的采集，采用TL082組成的差動(dòng)放大器測量兩端電壓的差值，放大倍數(shù)調(diào)整為1倍。當(dāng)運(yùn)放的反向端和同相端分別輸入信號V2和V1時(shí)，則輸出電壓為：VO=-（R10/R8）V1（1R10/R8）（R9/（R7R9））V2。
　　
　?。?）根據(jù)設(shè)計(jì)要求，取R7=R8=R9=R10，將差動(dòng)放大器做成減法器的功能，輸出電壓Vo=V2-V1。
　　
　　對于電阻的取值，船用蓄電池被測電壓范圍為014V，要將其轉(zhuǎn)換成為033V，取R7=R8=R9=R10=10M、R00=22M，則V1、V2之間的電阻值要約為667M，可以實(shí)現(xiàn)014V到033V間的轉(zhuǎn)換，而測量電阻可以達(dá)到2867M，對電路電流的影響可以忽略不記，V1、V2之間阻值的確定需要通過實(shí)驗(yàn)取得。然后將采集到的這個(gè)電壓值經(jīng)過濾波電路送到單片機(jī)的IOA3口。
　　
　　2.4、電流采集電路用康銅絲電阻采集電流，由于康銅絲的電阻值很小，因此可以保證檢測部分對整個(gè)電路的電壓影響可以忽略不記，而系統(tǒng)需要采集的就是電阻絲兩端的電壓值，由于該值非常小，所以要在電阻絲兩端接一個(gè)差動(dòng)放大器，將采集到的電壓放大到033V，再經(jīng)過濾波電路，送到A/D口供單片機(jī)采集。系統(tǒng)采用精度高、低噪聲、使用簡易的集成儀器放大器AD620，AD620由三個(gè)放大器共同組成，可以通過調(diào)整R2來調(diào)整放大的增益值。取R2=496，放大倍數(shù)為100倍，康銅絲電阻取值為5m，通過康銅絲的電壓經(jīng)過放大后，就可以達(dá)到033V.
　　
　　2.5、鍵盤和LCD顯示電路鍵盤采用5按鍵控制，5個(gè)按鍵的功能分別設(shè)置為自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、手動(dòng)模式的向前、向后以及報(bào)警取消鍵。顯示部分選用12864LCD模塊，該模塊可以方便地顯示漢字和數(shù)值，非常直觀地顯示出被測蓄電池的溫度、電壓和電流。通過鍵盤輸入進(jìn)行顯示切換。系統(tǒng)中使用的是并口通信的模式，用到的端口為DB0DB7數(shù)據(jù)口和5個(gè)控制口。由于使用了并行模式，可以把PSB接固定高電平，這樣只要使用單片機(jī)12個(gè)口來控制LCD就可以了。
　　
　　2.6、多路模擬開關(guān)電路此檢測儀可以一次檢測16個(gè)蓄電池，需采用模擬多通道選擇器來實(shí)現(xiàn)電池的切換，此功能采用雙選八通的芯片AD7507與雙選四通的芯片AD7502組合完成。
　　
　　3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件部分的設(shè)計(jì)包括主程序、按鍵控制程序、LCD顯示程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)據(jù)處理程序和報(bào)警程序。系統(tǒng)上電初始化后，通過按鍵操作選擇檢測某一塊蓄電池，選中后采集相關(guān)信號并顯示，等待按鍵選擇下一塊檢測的對象，也可以選擇自動(dòng)檢測模式，循環(huán)顯示檢測蓄電池的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)流程如所示。
　　
　　3.1、按鍵控制程序系統(tǒng)設(shè)置了5個(gè)按鍵，當(dāng)按動(dòng)了自動(dòng)模式時(shí)，LCD自動(dòng)切換16個(gè)顯示界面，每個(gè)界面顯示一節(jié)電池的檢測參數(shù)，顯示間隔為2s.在手動(dòng)模式時(shí)，顯示會自動(dòng)停在當(dāng)前的電池檢測數(shù)據(jù)中，這時(shí)候按向前鍵，會顯示上一節(jié)電池的數(shù)據(jù)，按向后鍵會顯示下一節(jié)電池的數(shù)據(jù)。對每節(jié)電池的檢測都設(shè)置了報(bào)警功能，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)低于設(shè)定值時(shí)就會產(chǎn)生報(bào)警，并且顯示停在當(dāng)前電池狀態(tài)，當(dāng)按了報(bào)警取消鍵后，報(bào)警就會取消并繼續(xù)顯示下一節(jié)電池狀態(tài)（前提是在自動(dòng)模式）。
　　
　　3.2、LCD顯示程序?yàn)榱诉_(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，LCD的顯示要具備比較好的人機(jī)交互界面，因此，在設(shè)計(jì)界面時(shí)充分利用12864LCD的顯示效果，分多個(gè)界面顯示，每個(gè)界面顯示4行8列漢字。每個(gè)界面的第1行顯示第n節(jié)電池，第2行顯示電壓值XXXV，第3行顯示電流值XXXA，第4行顯示溫度值XXX.然后通過按鍵查詢第n節(jié)電池電池內(nèi)阻、電池保有容量和電池活性度。為了達(dá)到人性化的效果，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，LCD上顯示電池智能檢測系統(tǒng)，然后通過相應(yīng)的按鍵進(jìn)入自動(dòng)或手動(dòng)模式。自動(dòng)模式時(shí)，LCD循環(huán)顯示被檢測的16節(jié)電池的參數(shù)，顯示間隔為2s；手動(dòng)模式則是通過按鍵切換到第n節(jié)電池參數(shù)的顯示界面。
　　
　　3.3、語音報(bào)警程序設(shè)計(jì)采用的SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部集成了語音模塊，可以實(shí)現(xiàn)語音報(bào)警功能。當(dāng)被測電池的數(shù)據(jù)超出規(guī)定的范圍時(shí)，就啟動(dòng)語音報(bào)警，提醒管理人員電池發(fā)生故障。語音功能的使用，是通過調(diào)用SCAM_A2000相關(guān)的API函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，SCAM_A2000相關(guān)的API函數(shù)功能如下：voidSCAM_A2000_Initial（intInit_Index）//初始化voidSCAM_A2000_ServiceLoop（void）//獲取語音數(shù)據(jù)填入譯碼隊(duì)列voidSCAM_A2000_Play（intSpeech_Index，intChanne，lintRamp_Set）//播放unsignedintSCAM_A2000_Status（void）//獲取模塊狀態(tài)CallF_FIQ_Service_SCAM_A2000//中斷服務(wù)函數(shù)4結(jié)果與分析采用本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的檢測儀，在環(huán)境溫度為26的室內(nèi)，對3個(gè)單個(gè)蓄電池進(jìn)行放電測試，取其中一個(gè)蓄電池組的端電壓和溫度，總放電電流的測試結(jié)果如所示。由于溫度的采集精度在測量前已校正，這里直接給出檢測數(shù)據(jù)，萬用表和電流表精度均為02級，數(shù)據(jù)取5次測量的平均值。通過測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，電壓測量誤差不超過005V，電流測量誤差不超過002A，誤差主要是由分壓電阻產(chǎn)生。
　　
　　4、結(jié)論本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的船用蓄電池組智能檢測儀表，較好地解決了目前手工測試無法解決的問題，由于一個(gè)檢測儀可以同時(shí)測量16個(gè)單體電池，且通過采用硬件處理和軟件濾波提高數(shù)據(jù)的采集精度，可以有效地改善船用蓄電池參數(shù)檢測的精度和速度，并實(shí)現(xiàn)了語音報(bào)警功能，如果結(jié)合開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件，*可以實(shí)現(xiàn)對船用蓄電池的實(shí)時(shí)監(jiān)測和自動(dòng)測量。