蓄电池检测

瑕疵图片及虚拟地图实时显示；

支持CCD数据与生产批号、时间等绑定并保存，数据可溯源；

多级用户权限设置，方便生产管理；

严重瑕疵及周期性瑕疵规则自定义；

多维度瑕疵属性信息，实现瑕疵准确分类；

可升级智能分类器，自动学习瑕疵特征；

灵活的产品配方管理，可一键切换检测方案；

支持对接MES，瑕疵相关数据均可上传；

废旧电池检测有奖回收箱 篇3

“回收箱”的功能如下：

1 电池基本性能检测：对“旧电池”而言，当电池投放人及志愿者投放电池时，电池检测器装置能够检测出该电池是否还可继续使用，从源头上防止了不必要的浪费。

2 “有奖”回收：每投放2～4块废电池，电池投放人就能获得一块全新的电池。如果投放的废旧电池没有达到该数量，按下确认键，该装置自动播放一段音乐或是感谢语音，以此鼓励投放人，从而达到保护环境的目的。

3 趣味宣传：“回收箱”的一侧加装趣味宣传栏，用简单明了的宣传形式，让市民短时间内就可以了解废旧电池的危害、回收的途径、效果，以及政府和民众保护家园的愿望和决心。

4 远程传输：当收集的废旧电池达到预计数量或装置设备出现故障时，信号会通过无线3G网络传输到总控台，方便管理者管理。

“回收箱”适合安置在商场、学校、街道的垃圾箱附近，也可直接安装在墙壁上。

智能蓄电池放电检测装置 篇4

1 系统方案设计

系统通过差分放大电路及V/f转换电路将蓄电池放电电流信号转变为频率信号,利用C8051F单片机计数器对放电脉冲进行计数,通过一定时间的计数可计算出放电电量。放电电量数据可通过RS232接口上传到上位机,并可输出0-4V的电压模拟信号供智能设备采集处理。

如图1所示,系统包括放大电路、V/f转换电路、串行接口电路、模拟量输出电路和单片机外围电路五部分。其中放大电路可将分流器输出的微弱信号进行放大,V/f变换电路将放大电路输出的电压信号转换为频率信号,串行接口电路主要用于扩展与上位机通信的RS-232串行接口,模拟量输出电路将单片机输出的0-2mA微弱电流信号转换为0-4V的标准信号。

2 硬件电路设计

2.1 放大电路

分流器输出0-75mV的电压信号,由于信号较微弱,因此需要放大电路对其进行放大。设计中采用三片精密运算放大器OP27将组成测量放大器电路,可将信号放大至0-5V。OP27在低电平信号的低噪声、高精度放大中具有良好的性能,主要应用与稳定的积分器、精密的求和放大器、精密电压门限检测器、比较器等电路。本设计放大电路如图2所示。

2.2 V/f转换电路

在对速度要求不高的模拟信号进行采集和处理时,一般采用AD574或者ADC0809等芯片组成的A/D转换电路来实现,而上述芯片价格较贵且线路复杂,提高了产品价格和开发费用。本设计从实际应用出发,采用一种应用V/f转换器LM331芯片组成的A/D转换电路。LM331芯片能够把电压信号转换为频率信号,具有良好的精度、线性和积分输入特性,并可以抑制串模干扰,且容易通过光电耦合实现被测信号与单片机的电气隔离。本设计所测电量利用电流对时间的积分,用先采集模拟量再求积分的方法可简化计数过程,从而简化了软件设计。

如图3所示,当输入端(7脚)输入正电压时,LM331片内的输入比较器输出高电平,内部R-S触发器置位,输出高电平,输出驱动管导通,输出端则为逻辑低电平,同时电源Vcc也通过电阻对电容充电。当电容两端充电电压大于2/3Vcc时,内部定时比较器输出高电平,使R-S触发器复位。同时,芯片内部的复零晶体管导通,电容通过复零晶体管快速放电;电子开关使电容对电阻放电,当电容放电电压等于输入电压时,输入比较器此时输出高电平,使R-S触发器置位。如此反复循环,构成自激振荡。输入电压和输出频率的关系式为:

从式中可知,芯片外围电路中R2、R3、R4和C2值的选取直接影响转换频率。接在芯片7脚的电阻和电容组成低通滤波器,目的是抗干扰,提高转换精度。

2.3 串行接口电路及模拟量输出电路

设计采用SP3223将C8051F3V的工作电压转换为RS-232标准电平,以便单片机与上位机通信。SP3223是一款RS-232双驱动器/双接收器芯片,可将单+3V-+5.5V电源转换成±5.5V的RS-232标准电平。如图4所示,单片机P0.4、P0.5分别接TTL/CMOS输入端和TTL/CMOS输出端,RS-232输出端(17引脚)和RS-232输入端(16引脚)分别接DB9串口的2脚和3脚。图中接有电容的电路部分为片内电荷泵的典型使用方法。

设计中的模拟量输出接口电路采用C8051F内部的电流方式转换器,从单片机的P1.0口输出1mA的电流,,然后通过基准电阻转换为0-2V电压信号,进行放大后得到0-4V的标准信号。

3 软件设计思路

设计中通过V/f转换将放电电流与计数频率的比例关系,将两个物理量同时积分,即可求出放电容量和脉冲数的比值。因此,只要求出放电量,就可以得到脉冲数值。设计采用C8051F的定时器T0,工作在方式1。主程序流程图如图5所示。

程序重点是针对C8051F定时器的使用编程,初始化程序及定时器程序如下:

4 结论

设计的蓄电池放电检测装置电路简单,采用C8051F单片机片内D/A转换器输出模拟电信号,将放电测量转为单片机的脉冲计数,简化了软硬件设计。经测试,该装置蓄电池容量检测可精确到0.1Ah,精度高、造价低、工作性能稳定,在目前同类蓄电池放电检测产品中具有一定竞争力。

参考文献

[1]王秋爽,曾昭龙.单片机开发基础与经典设计实例[M].北京:机械出版社,2008.

[2]赵亮,侯国锐.单片机C语编程与实例[M].北京:人民邮电出版社,2003.

[3]童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[4]Blood P J,Sotirpooulos S.An electrochemical technique for state of charge(soc)probing of positive lead-acid battery plates[J].J.Power Sources,2002,110:96-106.

[5]蔡子亮,马俊朋.一种新型电力系统蓄电池放电装置的设计[J].继电器,2007,35(14):38-41.

节能型蓄电池放电检测装置 篇5

单相节能型蓄电池放电检测装置主要包括DC/DC直流电流控制器、高频隔离变压器、DC/AC有源逆变器和DSP控制电路等。DSP的控制电路发出PWM信号, 将蓄电池放出的电流经高频隔离变压器进行DC/AC变换, 然后并入交流电网, 在控制蓄电池按要求放电的同时实现电能的回收再利用。

装置的原理为蓄电池电压Ed经DC/DC直流电流控制器后, 输送给DC/AC有源逆变器, DC/DC直流电流控制器为升压电路, 将蓄电池电压变换成DC/AC有源逆变电路前级所需要的直流电压, 逆变器的后级输出电压则并入电网, 它的幅值和相位由硬件和DSP组成的控制系统来完成[1]。另外, 主电路中加入了一些必要的保护措施。例如电感和电阻用于抑制直流输入合闸浪涌电流;电感和电容用于滤去PWM逆变电路产生的高频开关噪声[2]。

二、装置控制电路设计

3.1 D S P控制电路。本装置运用了T I公司的TMS320F28335处理芯片作为核心控制CPU, 利用DSP高速运算速度的特性, 满足了节能型蓄电池放电检测装置稳定、高效运行的要求。同时也具有放电性能好、对电网谐波污染小、使用安全、便捷等优点。

3.2DC/DC直流控制器。DC/DC直流控制器包括开关器件IGBT组成的全桥逆变电路、高频隔离变压器和整流二极管组成的全桥整流电路。DC/DC直流控制器采用全桥移相软开关技术, 开关器件IGBT组成的全桥逆变电路首先将直流电压逆变成高频交流电压, 通过高频变压器隔离后, 再由D1~D4组成的全桥整流电路变换成直流电压。

3.3DC/AC有源逆变器。DC/AC有源逆变器采用全桥拓扑, 调制方式为单极性调制。装置向电网输送能量时, 不仅要保证流入电网的电流为正弦波, 还要保证流入电网的电压相位一致和幅值稳定。在DC/AC有源逆变器中, 电压控制采用PI控制。原理为;互感器采集到的实际电压与给定的电压比较后, 把比较值经PI控制器送给DSP控制器。

3.4IGBT驱动电路设计。该装置中的开关器件均为IGBT, IGBT的驱动和保护也是装置本身需要研究的重要内容。本装置中采用HCPL316J来驱动IGBT, HCPL316J带有过流检测电路, 通过内部电路来监测IGBT的集电极电压, 一旦发生短路则关断IGBT进行保护。驱动电路中比较重要的一点是门极开通 () 电阻和门极关断电阻 () , 该电阻阻值越大, 开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就会减少, 电阻阻值越小, 开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。它的大小可通过公式1来计算。

(1) 其中RG是门极电阻;正偏压电源电压;是负偏压电源电压;IG是门级驱动电路输出的峰值电流[3]。

三、结论

节能型蓄电池放电检测装置是针对直流电源蓄电池放电而设计制造的高新技术产品。它采用先进的电力电子技术, 利用有源逆变的方法将蓄电池放出的直流电能变换为交流回馈到电网, 放电过程智能控制, 具有使用安全、便捷, 自动化程度高, 高效节能等特点。

摘要：本文介绍了一种新型的单相节能型蓄电池放电检测装置, 并对其控制电路和控制方法进行了研究。电路具有IGBT过流、过热、直流过压、输出交流过压、输出交流欠压、输出交流过流等多种保护类型。结果表明, 该装置放电性能良好、对电网谐波污染小, 具有很高的使用价值。

关键词：能量回馈,蓄电池放电,PWM波,谐波

参考文献

[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社, 2000.

节能型蓄电池放电检测装置 篇6

关键词：能量回馈,蓄电池放电,PWM波,谐波

1 前言

现代供电系统中广泛使用蓄电池作储能设备, 是不间断供电的基础。蓄电池的合理使用和正确维护是确保直流操作系统和电力通信调度系统长期稳定运行的关键。

目前, 放电试验主要采用电阻或者耗能型电子负载, 将蓄电池能量以热形式消耗掉。这两种方式存在着耗能和安全等诸多缺陷。节能型蓄电池放电检测装置就是针对直流电源蓄电池放电而设计制造的高新技术产品。它基于32位DSP控制、采用先进的电力电子技术、利用有源逆变的方法将蓄电池放出的直流电能变换为交流回馈到电网, 放电过程智能控制, 具有放电性能良好、对电网谐波污染小、使用安全、便捷、自动化程度高、可以远方监控等特点。

2 装置硬件结构及工作原理

节能型蓄电池放电检测装置的整体结构框图如图1所示。主要包括DC/DC直流电流控制器、高频隔离变压器、DC/AC有源逆变器和DSP控制电路等。基于DSP的控制电路发出PWM信号, 将蓄电池放出的电流经高频隔离变压器进行DC/AC变换, 然后经噪音滤波器并入交流电网, 在控制蓄电池按要求放电的同时实现电能的回收再利用。

图2为蓄电池放电装置的主电路结构, 是图1模块的内部电路。Ed为蓄电池电压, 开关器件M1~M8为IGBT, 它的开断由DSP产生的PWM波控制[1]。节能型蓄电池放电检测装置的原理为蓄电池电压Ed经DC/DC直流电流控制器后, 输送给DC/AC有源逆变器, DC/DC直流电流控制器为升压电路, 将蓄电池电压变换成DC/AC有源逆变电路前级所需要的直流电压, 逆变器的后级输出电压则并入电网, 它的幅值和相位由硬件和DSP组成的控制系统来完成。

3 装置控制电路设计

3.1 DSP控制电路

本装置运用了TI公司的TMS320F28335处理芯片作为核心控制CPU, 利用DSP高速运算速度的特性, 集成DSP常用的外围电路, 满足了节能型蓄电池放电检测装置稳定、高效运行的要求。同时也具有放电性能好、对电网谐波污染小、使用安全、便捷、自动化程度高、可以远方监控等优点。

3.2 DC/DC直流控制器

如图2所示, DC/DC直流控制器包括开关器件IGBT (Ml~M4) 组成的全桥逆变电路、高频隔离变压器和D1~D4组成的全桥整流电路。DC/DC直流控制器采用全桥移相软开关技术, 开关器件IGBT组成的全桥逆变电路首先将直流电压逆变成高频交流电压, 通过高频变压器隔离后, 再由D1~D4组成的全桥整流电路变换成直流电压。

3.3 DC/AC有源逆变器

如图2所示, DC/AC有源逆变器采用全桥拓扑, 调制方式为单极性调制, 逆变器的输出采用双电感结构的滤波器。系统的控制算法由DSP实现, 利用软件完成锁相技术, 同时采用PI控制算法进行并网电流控制, 实现高质量并网电流的输出。

节能型蓄电池放电检测装置向电网输送能量时, 需要考虑并网的电能质量, 即不仅要保证流入电网的电流为正弦波, 还要保证流入电网的电压相位一致和幅值稳定。在DC/AC有源逆变器中, 电压控制采用PI控制。互感器采集到的实际电压与给定的电压比较后, 把比较值经PI控制器送给DSP控制器。在此同时, 电流传感器把从电网采集到的信号送给比较器, 比较器输出的频率信息送入PLL锁相电路, PLL锁相电路和计数器把数据信息传送到DSP控制器, DSP控制器对PI控制器和PLL锁相器传送的信息进行乘法运算后, 产生于电源同频同相的正弦调制PWM波。由此正弦调制PWM波控制IGBT (M5~M8) 的开通关断, 从而产生我们需要的入网电流信号。

3.4 IGBT驱动电路设计

节能型蓄电池放电检测装置中的开关器件均为IGBT, IGBT的开关特性和性能好坏直接影响着DC/AC有源逆变器输出电压的稳定与否。因此如何有效的驱动和保护IGBT也是装置本身需要研究的重要内容。节能型蓄电池放电检测装置中采用HCPL316J来驱动IGBT, HCPL316J带有过流检测电路, 可以通过14管脚来监测IGBT的集电极电压, 一旦发生短路则关断IGBT进行保护。R7和R8分别为IGBT的门极开通 (RG (on) ) 电阻和门级关断电阻 (RG (off) ) , 该电阻阻值越大, 开关损耗和驱动脉冲上升下降时间就会减少, 电阻阻值越小, 开关损耗和脉冲上升下降时间就会增加。它的大小可通过公式1来计算。

其中RG是门极电阻;VG (on) 正偏压电源电压;VG (off) 是负偏压电源电压;IG是门级驱动电路输出的峰值电流[3]。

参考文献

[1]王兆安, 黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社, 2000.

[2]易映萍.单相正弦波逆变蓄电池并网放电装置的研制[J].湖南工程学院学报, 2003 (4) :11-14.

基于STM32的蓄电池在线检测 篇7

电力系统中的直流电源设备主要选用阀控铅酸蓄电池。由于这种蓄电池又被称为“免维护”蓄电池,这就给操作人员一种误解,认为种蓄电池不需要维护,使得在很多场合蓄电池实际上处于一种长期全不维护的状态。实际上蓄电池作为一种电化学产品,对使用环境和运行条件都有比较严格的要求,因此,如何监测蓄电池的运行状态,具有重要的现实意义。实际上蓄电池的电压检测、电流检测、内阻检测现在已经很成熟,但操作画面却不是很友好。本文主要在成熟的检测技术上,加上新的电子技术使操作更加合理。本文将主要对新的方法进行叙述,本文采用STM32F103VBH6驱动7寸触摸屏,使整个检测系统的界面更加丰富,同时操作起来更加便捷。

1蓄电池在线检测的组成

蓄电池的在线检测是对单电池和电池组的电压、电池组充放电电流、蓄电池内阻等进行检测,并将数据进行显示,以便使用者及时发现电池的问题。图1为蓄电池在线检测的结构图,从图1中可以看出蓄电池显示终端与单电池和电池组的电压检测、电池组充放电电流检测、蓄电池内阻检测的关系。从结构图中可以看出蓄电池在线检测主要由硬件部件和软件部分组成,其中硬件部分主要由ARM控制器和LCD部分组成,软件部分主要由UC/OS-II、UCGUI和应用程序组成。

2蓄电池在线检测的硬件部分

蓄电池在 线检测的 硬件部件主 要由ARM控制器和LCD部分组成,ARM控制主要 采用基于 意法半导体 公司的Cortex-M3内核的ARM(STM32F103VBH6),STM32的ARM是工业级的ARM,其稳定性非常好,性价比也比较高,其在工业上应用比较广泛。STM32实际的功能很多,本部分的硬件设计只对本系统中需要的功能进行了研究和开发,下面将结合具体的电路对蓄电池在线检测的硬件部分进行介绍 :

(1) 图2中为CPU电源部分,图2中用了两个零欧的电阻实现了数字地和模拟地的隔离,这样可以使系统的测量更加精确。

(2) 如图3所示为CAN总线通信部分,由于要对多路的测量系统进行显示,为了使各路的通讯能够更加迅速和可靠,本系统采用了工业上广泛应用的CAN总线通讯技术,由于STM32F103VBH6没有直接的CAN通讯硬件接口,本系统中使用工业上广泛使用的CAN通讯接口芯片SN65HVD230进行信号转换。

(3) 图4为掉电存储部分,为了使有些信息在掉电后能得到储存,本系统中使用24C64存储器对信息进行储存,24C64是I2C接口的EEPROM,而STM32F103VBH6有I2C硬件接口,因此可以很方便地实现24C64的存取。

(4) 图5为LCD接口部分,本系统使用的是支持556接口模式的TFT液晶屏,同时为了使数据传输更快,本系统中使用STM32F103VBH6的一个16位的外部接口来实现数据的传输,这样在传输的时候可以使用总线方式进行传输,从而大大减少了系统程序运行时在液晶显示部分花去的时间。

3蓄电池在线检测的软件部分

软件部分主要由UC/OS-II、UCGUI和应用程序组成,将对UC/OS-II、UCGUI的移植进行研究讨论,本文的应用程序基于UC/OS-II、UCGUI进行开发。

3.1 UC/OS-II操作系统的移植

UC/OS-II的源代码按照移植要求分为需要修改部分和不需要修改部分。其中需要修改源代码的文件包括头文件OS_CPU.H、C语言文件OS_CPU.C以及汇编格式文件OS_CPU_A.ASM。

(1) 修改头文件OS_CPU.H

头文件OS_CPU.H中需要修改的内容有与编译器相关的数据类型重定义部分和与处理器相关的少量代码。头文件中与处理器相关部分代码包括临界区访问处理、处理器堆栈增长方向及任务切换宏定义。头文件OS_CPU.H中最后一个要修改的地方是任务切换宏定义,任务切换一般是通过陷阱或软件中断来实现的。

(2) 修改C语言文件OS_CPU.C

文件OS_CPU.C中有10个C语言函数需 要编写,这些函数 中唯一必 要的函数是OSTask Stk Init,其他9个函数必须声明,但不一定要包含任何代码。OSTask Stk Init,此函数的作用是把任务堆栈初始化成好像刚发生过中断一样。

(3) 修改汇编 语言文件OS_CPU_A.ASM

汇编文件OS_CPU_A.ASM中需要编写 的函数分 别为OSStart High Rdy、OSCtx Sw、OSInt Ctx Sw和OSTick ISR。第一个函数的作用是启动多任务调度,此函数只在操作系统开始调度任务前执行一次,以后不再调用。第二个汇编语言函数OSCtx Sw是任务级的任务切换函数。若在任务执行过程中有一个比当前任务优先级更高的任务进入就绪态,UC/OS-II内核就会启动OSCtx Sw进行任务切换。第三个汇编语言函数OSInt Ctx Sw与OSCtx Sw类似。若任务执行过程中产生了中断,且中断服务程序使得一个比当前被中断的任务具有更高优先级的任务就绪时,UC/OS-II内核就会在中断返回之前调用函数OSInt Ctx Sw。第四个汇编语言函数OSTick ISR是系统时钟节拍的中断服务函数。处理器STM32F103VBT6中有一个专用系统时钟节拍定时器Sys Tick,本移植过程使用此定时器产生每100 ms一次的时钟节拍中断。

3.2 UCGUI移植

第一步 :首先准备TFT底层驱动,既在裸机下,可以正常显示,驱动使用的是LCD的官方驱动。

第二步 :加入UCGUI程序包,这个程序包由官方提供,不用自已写。

第三步 :配置LCDConf.h、GUIConf.h GUITo UCh Conf.h。

第四步 :最关键的 一步。那就是让GUI能够找到LCD驱动。修改LCDDriver。在编写TFT底层驱动程序的时候,编写这两个函数 :设置一个像素和获取一个像素的颜色,因为后面很多UCGUI和TFT驱动关联起来需要这两个函数为前提(由于代码较多中不作例举,以省略号代替)。

这两个函数写好,并测试可以正常显示后,接下来需要修改TFT与UCGUI关联的函数。

这个函数是GCGUI初始化TFT需要调用的,里面的函数就是TFT底层驱动的初始化函数。

上面两个 函数是其 他函数的 最基本元素,其他函数 比如画线、点、圆 都需要调 用该函数。里 面的LCD_Set Pixel(x,y,Pixel Index)、LCD_Get Pixel(x,y);就是TFT底层驱动设置像素和获取像素的两个函数。紧接着把该ili9320_UCgui.c、ili9320_api.c文件下其他函数修改一下(凡是遇到设置像素和获取像素的地方用以上两个函数代替)。

3.3基于UC/OS-II和UCGUI的应用程序开发

使用UC/OS-II必须建立一个任务,并且每一个任务必须被写成一个无限循环的函数。一个任务就像其他C函数一样,有返回值类型和参数,但因为任务函数是一个无限循环,所以它绝不会返回任何的数据,故返回类型应该定义为void。在main函数中建立一个开始任务(App_Task Start)。

App_Task Start任务主要作初始化系统及硬件的工作,App_Task Start任务中新建一个用于创建其它任务的任务,然后在App_Task Create() 这个任务中创建自己的应用程序的任务并分配优先级,本论文中创建了3个任务,其一个用LCD显示,这个优先级是最低的,还有一个用于通信及运算,这个优先级是最高的,还有一个是用于和用户交互的键盘程序,这个优先级介于LCD显示和通信及运算任务的中间。

任务创建后需要要相应任务的函数写入相应代码并且代码中要有死循环,同时任务级别较高的任务要在任务中使用OSTime Dly HMSM函数,否则别的任务将可能得不到运行的机会,如下所示 :

4结束语

本系统在成熟的蓄电池的电压检测、电流检测、内阻检测的基础上,采用STM32F103VBH6驱动7寸触摸屏,改变了操作不友好,使用不舒适的情况,同时7寸触摸屏上可以更好更多的显示检测信息,使信息的显示更加丰富和及时。

摘要：随着蓄电池工业的产业化,蓄电池的电压检测、电流检测、内阻检测等已经很完善,但其操作的便捷性却较为滞后。我们采用STM32F103VBH6驱动7寸触摸屏,使整个检测系统的界面更加丰富,同时操作更加便捷。本文首先对蓄电池在线检测的设计原理及对硬件系统组成进行简要叙述,然后对软件部分组成特别是UC/OS-II和UCGUI的移植进行详细介绍,最后对UC/OS-II和UCGUI的应用程序开发进行了简单介绍。

蓄电池检测 篇8

电力系统在设备的安装、检修、预试等日常的工作中, 为了确保电力设备能正常、安全、经济地运行, 需要对电气设备进行绝缘电阻、电压、电流等参数测试, 来判断被测的设备是否正常、是否存在缺陷。

目前所用的检测仪器大部分需要有电池电源供电才能工作, 测试工作过程中常常会碰到电池无电、电量不足。特别是在测试工作出发前, 对测试仪器仪表进行检查时, 电量显示是满的, 到了施工现场使用时, 电池电量瞬间降低, 发现电池显示的电量是虚拟的, 造成无法测试及所测数据不正确。但目前无法在测试工作前, 对测试仪器电池的好坏进行对测试[1]。

首先在现场工作中, 一旦发现检测仪器没电或电量不足, 我们必须回班组更换测试仪器或现场电池充电。我们大家都知道, 工作现场一般都在变电所或发电生产车间, 来回都需要大量的时间, 若对电池现场充电更会浪费我们的工作时间, 这危及到设备的正常投运时间, 无法确保按时送电, 为广大的用电用户提供优质可靠的电能。对工作造成很大的麻烦。

其次, 电池的日常维护的好坏直接影响到电池的寿命。由于测量仪器内部电池的自放电效应, 如果长期不进行充放电维护, 就会导致电池蓄电能力下降, 甚至无法再充电和使用, 影响正常的生产。电力生产, 安全第一, 需要特别注意对这些危险点进行控制。

基于以上的问题, 设想研制一套小型的电池检测装置, 能对仪器内部电池进行监测, 并给出评价结果, 提醒试验人员及时充电或更换电池。能及时提醒试验人员对电池进行维护和充电。

1 装置整体概述

检测仪器蓄电池测试装置整体框图如图1所示, 装置由CPU模块、内阻测量模块、液晶显示屏等六部分组成, 如图1所示。

检测仪器蓄电池测试装置的内部电路框图, 如图2所示。其采用:

1、主控制器为STM32, 负责处理电池电压测量、电池电流测量、按键输入、输出控制和输出指示。

2、辅助电源提供内部线路板及相关外设的供电电压;

3、交流恒流源用于电池内阻的测量;

4、恒流放电电路用于测试电池的放电电压-时间特性曲线;

5、电池电压和电流测量电路将模拟信号调理并转换成数字信号传送给控制器;

6、显示屏选用128*64点阵分辨率LED背光屏;

7、内置实时时钟、按键、指示灯和蜂鸣器等常用外设。

2 详细电路设计

检测仪器蓄电池测试装置其主要由电池内阻的测量、交流恒流源和AD9833 (一款低功耗、可编程波形发生器) 组成。

2.1 检测仪器电池的特点

检测仪器电池为一般蓄电池, 蓄电池的内阻是指电流流过蓄电池内部时所受的阻力, 铅酸蓄电池的内阻很小, 需要用专门的仪器才可以测得比较准确的结果。一般所指的蓄电池内阻是充电态内阻, 即蓄电池充满电时的内阻。与之对应的是放电态内阻, 并且不太稳定。蓄电池的内阻越大, 蓄电池自身消耗掉的能量越多, 其使用效率越低。内阻很大的蓄电池在充电时发热很厉害, 使蓄电池的温度急剧上升, 对蓄电池和充电器的影响都很大。随着蓄电池使用次数的增多, 由于电解液的消耗及蓄电池内部化学物质活性的降低, 蓄电池的内阻会有不同程度的增大, 质量越差的蓄电池增大的越快。蓄电池内部阻抗会因放电量增加而增大, 尤其是在放电终止时阻抗最大, 主要因为放电的进行使得极板内产生不良导体硫酸铅以及电解液比重下降, 故放电后务必马上充电。若任其持续放电, 硫酸铅形成安定的白色结晶 (即硫化现象) 后, 即使充电, 极板的活性物质亦无法恢复原状, 从而将缩短蓄电池的使用寿命[2]。

2.2 测量技术指标:

根据我单位目前使用的测量仪器电源所用的电池, 我们设置检测仪器蓄电池测试装置以下技术参数和精度:

1 、 检测仪器蓄电池测试装置测试电池电压: 范围 (0-20V) 、分辨率 (0.01V) 、精度 (±0.2%+2个字) ;

2 、 检测仪器蓄电池测试装置测试电池内阻: 范围 (0-1Ω) 、分辨率 (1MΩ) 、精度 (±2%+2个字) 。

2.3 电池内阻的测量:

测量电池内阻一般采用四线交流法, 因为电池实际上等效于一个有源电阻。交流法通过对电池注入一个低频交流电流信号, 测出电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差, 从而计算出电池内阻。首先产生一个1k Hz的恒定交流激励信号, 交流法通过对电池注入一个交流信号Is, 测量出电池两端的电压响应信号Vo, 以及两者的相位差θ, Z=Vo/Is, R=Zcosθ, 即可计算出电池的阻抗, 进而反映出蓄电池的性能。

由于正常情况下的电池内阻是MΩ级的, 电路采样到的电压和电流信号的相位差也很小, 对交流恒流源的要求非常高, 纹波稍大或者信号输入回路有干扰, 就会造成电池内阻的测量误差。因此, 设计稳定标准的正弦交流恒流源尤为重要, 同时要对输入信号进行滤波和信号处理, 并使用专用鉴相芯片对电压和电流的相位差进行计算, 才能达到设计的技术指标和预期的使用效果。

AD9833是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器, 能够产生正弦波、三角波和方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域。 AD9833无需外接元件, 输出频率和相位都可通过软件编程, 易于调节。频率寄存器是28位的, 主频时钟为25 MHz时, 精度为0.1 Hz;主频时钟为1 MHz时, 精度可以达到0.004 Hz。

可以通过3个串行接口将数据写入AD9833, 这3个串口的最高工作频率可以达到40MHz, 易于与DSP和各种主流微控制器兼容。AD9833的工作电压范围为2.3 V~5.5 V。AD9833还具有休眠功能, 可使没被使用的部分休眠, 减少该部分的电流损耗。例如, 若利用AD9833输出作为时钟源, 就可以让DAC休眠, 以减小功耗。该电路采用10引脚MSOP型表面贴片封装, 体积很小。如图3所示, 设计中采用AD9833产生1k Hz的标准正弦波信号源, 芯片通过AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA与控制器相连, 芯片的第5脚输入时钟源, 第10脚输出有直流偏量的交流正弦波信号[3]。

2.4 交流恒流源:

测量所需的交流恒流源至少要输出50m A的电流, 才能对MΩ级的电池内阻进行测量。而普通运放的输出电流都不超过10m A, 因此设计选用了BB公司 (编者注:已被TI公司收购) 的OPA541大功率运放, 该运放可以在±10~±40V电压下工作, 可连续输出高达5A的电流, 具有编程限流的功能, 内部电流限定电路能使用户仅用一个外接电阻来限定电流, 保护运放和免受损坏。如图4所示, 电阻R5组成了限流电路, 电阻R8为电流取样电阻, 取样电阻两端的电压输入运放的负端, 形成负反馈电路, 保持输出电流的恒定, 如图4所示。

AD8302是ADI公司用于RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路, 主要由精密匹配的两个带宽对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成, 能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差, 可应用于RF/IF功率放大器线性比的测量、RF功率的精确控制、驻波比测量及远程系统的监视和诊断等。当芯片输出引脚VMAG和VPHS直接跟芯片反馈设置输入引脚MSET和PSET相连时, 芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上 (精确幅度测量比例系数为30m V/d B, 精确相位测量比例系数为10m V/度, 中心点为900m V) 。另外测量模式下, 工作斜率和中心点可以通过引脚MSET和PSET的分压加以修改。在中心点900m V处其增益是0d B, -30d B-+30d B的增益范围对应于0-1.8V的输出电压范围;在中心点900m V处其相位为90度, 0-180度的相位范围对应于1.8-0V的输出电压范围。如图5所示, 输入的电压BV和电流BI信号, 经过AD8302所构成的幅相检测电路之后, 输出的BBV就反映了BV与BI的增益比, 输出的BBI则反映了BV与BI的相位差。使用专用的幅相检测芯片, 可以避免分立电路产生的器件不一致以及失调等问题。其输出信号只需用普通A/D进行采样, 即可按公式计算出电池内阻[4]。

2.5 电池电量与电压的对应关系:

测量电池的负载电压, 再根据如图6曲线, 可以计算出电池的剩余容量。

3 装置实物图

根据上述设计思路, 研制出检测仪器电池电量测试仪。实物如图7所示。

整机内部包含辅助开关电源、主线路板、按键板、测试端子、液晶屏等, 如图9、图10所示。

4 检测仪器蓄电池测试装置图的应用

检测仪器蓄电池测试装置, 对兆欧表电量的测试如图11所示。

首先, 兆欧表与检测仪器电池电量检测装置相连, 四根连线, 其中两根是测试线, 两根信号线。开机, 设置相关参数, 进入测试, 按确定键, 装置自动将电池的几个参数顺序测试完成后, 给出电池的运行状况[5]。

检测仪器电池检测仪界面显示:图12所示。

5 推广应用

鉴于本文研制的检测仪器—电池电量的测试装置, 在国网嘉兴供电公司、恒兴电力建设有限公司、嘉兴市恒欣电建有限公司实际生产应用过程中, 使用方便、安全可靠、效果显著, 本项目获2014年全国优秀质量管理小组, 目前已申请国家知识产权发明专利与实用新型专利各一项。并在2014年, 列为国网浙江省电力公司群众性科技性项目, 在浙江省电力系统全面推广应用。

6 总结

针对检测仪器在测试工作过程中, 常常碰到的检测仪器电池无电、电量不足、虚拟电量等因素, 造成仪器无法测试及所测数据不正确等问题, 给日常工作造成很大的不便;产生安全隐患及所测数据正确率低, 产生对被测电气设备的状态误判断, 本文研制的检测仪器电池电量测试的装置, 电力系统在日常的安装、检修、预试检测工作前, 能及时发现检测仪器电池不足、电池损坏等状态。工作人员及时针对性处理。以此来清除安全隐患, 保障现场作业测试仪器的正常运行的装置。

参考文献

[1]何嘉斌, 恭兰芳, 何方.快速数据采集模块的研制.武汉理工大学学报 (交通科学与工程版) , 2004, 28 (3) :471~475

[2]马青玉.高压蓄电池组的计算机检测设计[J].电子工程师, 2002, 28 (1) :25-26

[3]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2001247~365

[4]李维, 郭强, 周云仙.液晶显示应用手册.北京:电子工业出版社, 2002.374~414

蓄电池检测 篇9

阀控铅酸蓄电池 (VRLA) 诞生于1970年, 之后的几十年时间里, 人们对蓄电池的工作原理, 工作性能, 维护保养等方面进行了大量的研究, 常用的方法有安时积分法[1], 开路电压法, 阻抗分析法, Peukert定律, 密度法等, 近年来人工智能算法也开始吸引了大量关注。

参考文献[2]对铅酸电池的So C预测进行了研究, 在单片机上实现了基于蓄电池电动势和内阻的电量模糊预测。参考文献[3]应用模糊神经网络对MH/NI电池进行So C预测, 建立了四层结构网络。参考文献[4]采用无味卡尔曼滤波算法对锂电池的So C进行估计, 将电池开路电压 (OCV) 作为参数。参考文献[5]给出了利用采样点卡尔曼滤波进行电池So C估计的具体步骤, 该模型用电池电压, 电流和温度作为参数。面向应用, 参考文献[6]以MSP430单片机为核心控件设计了面对一体化壳体的低功耗电容式电子测压器。

本文建立了基于神经网络的电池荷电状态的预测模型, 在模型中考虑到内阻、放电电压、温度、放电电流等多参数对蓄电池的So C进行预测, 设计并制作了硬件, 通过实验验证本文提出方法对工程应用的指导意义。

1 蓄电池荷电状态预测模型

ANFIS (Adaptive Neuro Fuzzy Inference System) 是一种自适应神经网络, 具有神经网络的学习能力, 而功能又与模糊推理系统等效。其隶属度函数参数和结论参数可以通过数据的训练来自主确定和更新, 所以ANFIS适用于特性难以掌握的复杂系统的建模[7]。ANFIS采用Takagi-Sugeno推理计算方法, 结构为一阶:

按Takagi-Sugeno通式h1=p1x+q1y+r1重写为:

自适应网络的学习规则是基于梯度下降和链式法则[8], 由于梯度方法收敛缓慢且易陷入局部最优, ANFIS采用混合学习规则加速学习进程。

电池So C取决于多个因素[8], So C可表示为:

式中Ep是电池的电动势, a、b是实验决定的系数。

根据等效电路, 当电池放电时,

其中RΩ=RΩ (θ, T) , Rd=Rd (θ, T) , Rk=Rk (θ, T) , τd=RdCd, τk=RkCk。

假设温度是常数, 从式 (5) 可以看出, 在稳定状态, I (t) =常数=I。因此:

传输状态时, 从t=0, I (t) =0和I (0) =I0得:

其中, Vbat (t) 和I (t) 为测试变量, RΩ (θ) 由实验测定, 时间常数τd和τk通过实验数据和仿真测试。Rk (θ) 和Rd (θ) 由最小二乘算法拟合曲线得到。

本文建立的ANFIS模型的输入参数确定为内阻R, 放电电压V, 温度T、放电电流I。实验测得, 放电过程中, 电池内阻变化范围为3.8 mΩ~6.3 mΩ, 即论域为[3.8, 6.3], 将其划分为m个模糊集:R1, R2, …, Rm。电压变化范围为12.5 V~10.5 V, 即论域为[12.5, 10.5], 划分为n个模糊集:U1, U2, …, Un。取温度变化范围为5℃~20℃, 划分为p个模糊集:T1, T2, …, Tp。放电电流取值范围为5 A~25 A, 划分为q个模糊集:I1, I2, …, Iq。Sugeno模糊模型采用式 (8) 所示局部线性函数形式的模糊规则。

式中c1i, c2i, …, cni和ri为多项式系数, y=c1ix1+c2ix2+…+cnixn+ri为结论隶属度函数。

建立了基于ANFIS的一个4输入、1输出的系统, 如图1所示。

第1层是输入层, 它将输入模糊化, 将4个论域分别划分为m、n、p、q个模糊集。各节点输出相应隶属度函数的值。

其中。当h=1时, i=1, 2, …, m;当h=2时, i=m+1, m+2, …, m+n;当h=3时, i=m+n+1, m+n+2, …, m+n+p;当h=4时, i=m+n+p+1, m+n+p+2, …, m+n+p+q。隶属度函数选择为钟型函数:

其中i=1, 2, 3, 4。K1=m, K2=n, K3=p, K4=q。参数a、c可变, 在训练过程中调整以改变隶属度函数的形状使系统更逼近真实值。第2层是乘积层, 通过乘法计算各规则的激励强度:

其中K1, K2, K3, K4取值分别为1~m, 1~n, 1~p, 1~q。采用复合T规范的AND乘法算子确定每条规则的激励强度。第3层中每个节点都是圆形的, 计算第i个规则的激励强度相对于所有规则激励强度的和的比值, 本层输出称为归一化激励强度:

其中对于K1, K2, K3, K4, K分别取值m, n, p, q。该层节点数为m×n×p×q。第4层是规则输出层。由式 (8) 衍生出本系统规则:

其中, 多项式中的系数cki和ri决定了模糊规则, 为结论参数。系数在训练中不断调整使模糊系统:

第5层只有一个固定节点, 求和得全局输出:

2 嵌入式系统设计

2.1 实验原理

本文建立的ANFIS模型, 需大量实验数据对网络模型进行训练、校验和验证, 实验原理为: (1) 获取不同条件下阀控式铅酸蓄电池放电数据; (2) 将获取的数据用于训练和检验模型; (3) 验证训练完成后模型的预测精度和有效性。根据验证情况对模型进行改进, 再次验证。

监测系统在嵌入式平台中实现, 实验结果及软件中各参数标定为系统软硬件设计提供参考。

2.2 硬件设计

硬件系统含测量单元和显控平台两部分, 如图2所示。前者用于测量内阻、电压、输出电流、温度, 实现简单的插值运算及与显控平台通信。测量单元基于单片机设计, 采用STC12C5A60S2。后者采用ARM Cortex-A8Samsung S5PV210。

2.3 内阻测量电路设计

本文采用交流注入法测量蓄电池内阻, 用频率为1 k Hz的交流恒流信号注入蓄电池, 获取反馈并进行调理送入ADC采样。原理框图如图3所示。

2.4 内阻测量原理

设信号发生器产生正弦信号I=Asinωt, 由于电池的阻抗Rz存在容性成分, 反馈信号与激励信号有相位差, 设差分放大器的增益为B, 则采样信号经过差分放大器后的值为:

激励信号在参考电阻Rr上产生的压降为:

经过AD630的比较器与零电平做比较, 得到方波信号展开为傅里叶级数:

经过相敏检波后, AD630输出为:

令Es=AB|Rz|则:

Uo经低通滤波器 (增益为C) 后, 输出:

由于Rz是包含容性阻抗, 因而内阻值为:

其中, Uo′为常数, 对其采样、标定即得到内阻值。

3 仿真分析及相关实验

3.1 仿真分析

建立4种ANFIS模型, 模型1用钟型函数作隶属度函数, 用genfis1产生初始FIS;模型2用高斯函数作隶属度函数, 用genfis1产生初始FIS;模型3用减法聚类法函数genfis2产生初始FIS;模型4用模糊C-均值聚类法函数genfis3产生初始FIS。目标误差0, 步长0.01, 步长增长率和下降率分别为1.1和0.9, 训练次数100。各模型原始实测数据与预测曲线及误差曲线如图4所示。

各模型的预测曲线与实际测量曲线重合度较好, 其均方根误差最大值分别为0.007 3、0.004 4、0.007 4、0.006 0。结合应用需求, 最适合用于预测蓄电池电能的是模型3。

3.2 设备实测

系统从蓄电池满电开始放电, 测量单元不断采集蓄电池的内阻、电压、电流、温度参数, 发送给显控单元, 显控单元通过ANFIS算法预测蓄电池容量。抽取间隔较大的10组数据如表1所示。

表1所获得的数据是显控单元通过RS422与测量单元通信获得的, 与实测值比较, 各参数的误差均在5%以内。本系统的最终目的是将测量单元获得的数据输入显控单元的ANFIS算法程序中预测蓄电池So C, 因此表2对预测值与实际值进行了比较。

从表2中可以看出, 预测值与实际值的误差非常小, 最大绝对误差为0.004 6, 完全能满足工程应用需求。

本文建立了ANFIS模型, 完成了相关实验和仿真训练, 设计了系统硬件和软件, 分析了实际运行效果。实验证明用减法聚类法产生的ANFIS网络最优, 节点数相对较少, 预测效果好。

参考文献

[1]李哲, 卢兰光, 欧阳明高.提高安时积分法估算电池SoC精度的方法比较[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2010, 50 (8) :1293-1296, 1301.

[2]李智华, 张青春, 刘振.蓄电池剩余电量的模糊预测[J].上海大学学报 (自然科学版) , 2009, 18 (4) :364-368.

[3]张梅.基于模糊神经网络的MH/Ni电池荷电状态预测[J].电源技术, 2012, 36 (9) :1316-1318.

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[7]艾芳菊.模糊神经网络的结构优化研究[D].成都:中国科学院研究生院 (成都计算机应用研究所) , 2006.

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