摘要：蓄电池作为储备电源广泛应用于实际生产中各个领域，蓄电池通过充电的形式储存电能，并以放电的形式输出电能。随着使用时间的累积，蓄电池的使用寿命不断减少，安全性和可靠性不断降低，如果发生异常的蓄电池得不到及时处理，可能会产生重大的生产安全事故。
关键词：蓄电池组；监测；CAN总线
引言
蓄电池作为一种后备电源，其性能好坏直接关系到不间断供电系统的可靠性。为了保障电池的可靠运行，需要定期对电池组相关参数进行检查，查出劣化的电池并进行更换，防止造成更大的故障。但电池的数量多，单靠人力来检测的话，耗费时间多，并且实时性和可靠性不足。传统应用有线方式的电池测试仪存在接线繁琐、易损坏、功耗高和灵活性差等弊端，也容易产生安全隐患，甚至因为短路引起火灾。
1.系统功能与结构
蓄电池组智能监测系统由上位机、下位机、数据采集模块、蓄电池组四部分组成。上位机以高级语言VB开发，VB具有良好的人机交互界面的设计，蓄电池的信息都可通过界面上显示的信息得到，操作人员可根据需求查询和监测相关的参数。下位机是以单片机为核心的下位处理系统，下位机负责接收传感器采集的数据，并将数据转化为可通过CAN总线传输的数据类型。数据采集模块由温度传感器、电压传感器、电流传感器等数据采集模块成，数据采集模块将采集到的传感器的数据传送至下位机中，由下位机和上位机判断数据是否超出设置的阈值。蓄电池组作为被监控的对象只需保证与数据采集模块的稳定连接即可。数据采集模块将采集到的蓄电池组的状态数据通过CAN总线传送至上位机中，上位机根据传感器模块采集到的蓄电池数据，对蓄电池组的状态进行检测，并将从CAN总线获取的信息以图表或文本框的形式显示在人机交互界面上即可。上位机中友好的人机界面可方便使操作人员观察蓄电池的电压、电流、温度等信息，并可设置各个参数的阈值，上位机内部根据各个检测的阈值对蓄电池组是否处在异常运行状态做出报警和提示。
通过上述的蓄电池组智能监测系统设计，该系统可实现以下功能：蓄电池各个被测量数据的采集、蓄电池组各个参数的监控、传感器组中数据的保存、蓄电池组报警信息提示、报警参数设置等。本系统通过CAN总线实现上位机与下位机的通讯，并实时保持上位机与下位机间的数据交换，完成对蓄电池组的智能监控与保护功能。
2.数据采集模块设计
数据采集模块由数据采集模块、微处理器、高速光电耦合器、CAN总线接口驱动器组成。微处理器P87C591芯片，该微处理器负责传感器数据的采集、处理，并具有通讯功能。P87C591具有下列增强特性，如增强的CAN接收中断、扩展的验收滤波器以及验收滤波器可在运行中改变等功能。该微处理器具有一定的数据处理能力且功能较为齐全，因此可将蓄电池状态的判断放在下位机中处理，下位机与上位机实时通讯的数据只包括蓄电池组是否处于正常状态，若蓄电池组处于异常状态，则将具体的异常参数和异常状态传送至上位机中即可。各个传感器读取的数据不必进行实时上传至上位机，以免增加通讯的负担。
数据采集模块包括温度传感器、电压检测、电解液的测量等。电池组在充放电的过程中，存在化学反应的吸热和放热，由于蓄电池一般处在密封环境中，充放电的过程中往往伴随着热量的变化，导致电池组温度的变化，温度过高容易损坏蓄电池组的内部元件，导致蓄电池组异常，因此，通过DS1820温度传感器测量蓄电池组的温度，实时监测蓄电池组的温度变化。温度变化属于渐变过程，正常情况下不会产生突变，因此，温度传感器与下位机间的通讯速度不必设置太高，以免影响下位机的正常工作。
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对电压的测量可以有效的检测电池的异常如电池短路，电池端电压过低，电压不均衡等故障，对维护电池组的正常运行具有重要意义。电压的检测根据国家标准测量精度为mV级，因此需安装相应的高精度A/D转换模块。本次设计采用ICL715作为蓄电池电压采集芯片，该芯片价格便宜、分辨率高、抗干扰能力强，可实现电压的精确检测。
高速光电耦合器连接CAN总线驱动器，提供CAN总线驱动器向总线发送数据和接收数据的能力，将微处理器采集传感器数据的通过CAN总线驱动器传送至CAN总线，实现数据的上传和数据的接收，实现上位机与下位机的交换。此外，高速光电耦合器将单片机与CAN总线分开供电，有效抑制了总线数据对本模块数据的干扰。通过数据采集模块，上位机可通过总线对蓄电池组的各个参数进行实时监控、诊断、报警，同时，对蓄电池组的状态进行定期检测，最大限度的维护蓄电池组的使用寿命。
3.上位机设计
上位机包括用户登录模块、参数设置模块、传感器状态显示模块、总线接口模块设计、数据存储模块、故障报警等模块。根据各个模块功能的不同，可将各个模块存放在不同的系统设计区域，例如总线接口模块与数据处理模块均放置在上位机界面中的按钮下，通过相应的函数调取相应的操作命令，实现相应的功能。由于用户登录模块、参数设置模块、传感器状态显示模块都需要通过人机交互界面来实现，因此，通过VB的可视化编程功能，将上述模块放置的人机界面上。
实现传感器数据的前提条件是首先实现上位机与下位机的通讯，因此，在上位机中需要设计CAN总线通讯模块，在硬件部分连接完成后，实现系统根据初始化程序完成通讯的建立。监控系统首先要实现的功能就是上位机与下位机的通讯，因此，需通过总线接口模块将上位机与下位机连接起来，总线接口模块通过调用相应的通讯函数实现上位机与下位机的连接，由于采用CAN总线通讯协议，无需自行设计通讯协议。
系统参数关系着监测系统报警的阈值，因此系统的参数设置不能任意更改，在系统中设置了操作权限模块，管理员可以更改系统的参数，并可对普通用户进行管理，但普通用户无权修改系统的参数，尤其是各个被监测量的阈值。阈值参数设置与系统报警紧密相关，参数设置的不合理将可能引起误报警或出现安全事故，必须有专业的操作人员设置相关的参数。普通用户只具有查看数据的权利，不能任意修改相关参数。
系统参数设置模块的主要作用是设置监测系统中蓄电池被监测量的参数，根据蓄电池安全管理的要求，合理设置各个参数，实现准确的对蓄电池组的监控十分重要。本系统的主要目的是监测蓄电池组的状态，因此，需首先设置可能引起蓄电池组出现异常的参数阈值，当传感器数据超出阈值时，系统报警提示。在人机交互界面中也包括传感器状态显示界面，操作人员可直观的根据图像或数字信息，检查蓄电池组的参数。
监控系统的功能不仅仅包括蓄电池组各个被监测量的显示和出现异常时的报警信息。该系统还可以进行传感器数据的记录和保存，并根据各被监测量与时间的关系，并根据其关系预测蓄电池组的状态，更好维护和保养蓄电池组，提高蓄电池组的使用寿命。为了观察蓄电池组充电、放电以及电量损耗的规律，需对传感器检测到的数据进行记录并写入数据库，以便后续的查询。
结语
本文就蓄电池组智能监测系统的组成、实现原理、功能等进行了详细的论述，结合高级语言VB、单片机、传感器等技术，充分利用了CAN总线的实时性、稳定性，实现了蓄电池组的远程监控，对工业领域中的远程监控系统的设计具有一定的指导意义。
参考文献：
[1]史相玲.蓄电池在线监测系统的研究[D].河北农业大学，2009.
[2]冯勇.电动汽车电池管理系统研究[D].湖南大学，2010.
[3]白海霞.蓄电池在线监测系统的研究与设计[D].北京交通大学，2010.
论文作者:郑超
论文发表刊物:《电力设备》2018年第16期
论文发表时间:2018/10/1
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