二端在线二次电池组充电自动均衡维护智能远程监控系统
2015年4月23日 09:11 作者:罗 凯 周琰杰 童超城二端在线二次电池组充电自动均衡维护智能远程监控系统
罗 凯 周琰杰 童超城 电子科技大学成都学院 四川成都 611731
【文章摘要】
本文是对二端在线二次电池组充电自动均衡维护技术的二次深入开发，利用电子控制和通信技术，共同构建电池组的工作状态的远程实时监控系统。以提高电池组的安全性、可靠性和使用年限。
【关键词】
电池组；维护；远程监控；通信；智能
0 引言
如今社会日新月异，然而科学技术的提高和完善却没能跟上时代的进步。现阶段串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置已经获得了发明专利，并有很高的可靠性。但是该技术缺乏二次深入开发，应用领域相对较为狭窄。而且存在两大问题， 一是电池组中单体短路问题，降低了电池组的安全性。二是电池组的充电不均衡问题，降低了电池的使用时间。本系统的研究就着手解决这些问题。
1 系统概述
二端在线二次电池组充电自动均衡维护智能远程监控系统整体分为三个部分，分别是电池组监控数据采集端硬件、远程上位机端硬件和监控系统上位机软件。系统的结构框图如图1。
电池组监控数据采集端硬件主要负责对带二段自动均衡装置整组电池组进行状态进行采样，向上位机发送状态及接收上位机指令；远程上位机端硬件主要负责接收电池组端发送来的状态信息及向电池组端发送指令；系统控制程序分为： 上位机中控电路编码程序、上位机中控电路编码程序、电池状态信号采集端编码程序、电池状态信号采集端解码程序、上位机控制界面程序用于显示各个被监控电池组状态的人机交互界面，以软件为主， 运行于配套的PC 机上。
2 关键技术
2.1 自动均衡维护装置
现阶段串联蓄电池组充电的自动均衡充电装置从工作方式上分为主动式和被动式两种。主动式均衡维护装置利用开关变换器为核心来实现在电池组内各个电池单体之间进行能量搬运，在充电和放点过程中均可对各个单体电池实现实时的动态均衡；而被动式均衡维护装置大多只能在充电过程中实现均衡操作。
本技术采用被动式均衡维护装置。一方面，由于主动式均衡维护装置对开关变换器的转换效率要求极高否则会造成额外的能量消耗。同时，主动式维护装置大多采用集中变换和集中控制的控制方式， 在这种控制方式下随着电池组规模的增大需要的引出线数量会线性增加，在均衡操作时这些引出线上需要通过加大的电流，为了保证控制精度还需要设置专用的取样信号线，这就使得设计制造难度和成本成倍增加，可靠性也大幅降低。而且在电池放电过程中不均衡现象大多出现在放电末端，此时剩余可用容量已经较少， 进行均衡的价值也相对较低。另一方面， 被动式均衡装置结构简单造价低廉，具有较高的可靠性，且在充电均衡中有较好的效果和较高的精度，因此相对于主动式均衡装置更适合于大规模的应用。
2.2 电池组状态采集接口电路
从蓄电池组的实际运行过程来看，过充电、过放电等严重危害蓄电池组寿命的情况都发生在蓄电池组运用过程的两端， 即充电末端和放电末端。因此相比之下对充电末端及放电末端的状态参数进行监控的意义要大于对运行中段的状态参数监控。常见的电路形式如图3，电阻R4 是TL431 的阴极负载电阻，与TL431 构成基准源，C1 是基准源的去耦电容；R1 和R2 是输入分压电阻，它们与OC 输出的双比较器LM393 共同构成比较单元，R3 为比较器输出端上拉电阻，根据不同的电路R3 可接至CMOS 电源轨或TTL 电源轨， 以满足后级电路的不同需求；C2 为OC 输出双比较器LM393 的电源退耦电容； 比较单元的翻转阈值UT=2.5×(R1+R2)/ R2。
图3 常见的状态检测装置电路 为了提高可靠性和降低成本和电路复杂程度，本装置采用的是仅针对电池组充电末端和放电末端进行检测的简化型检测电路如图4。整个检测装置的工作方式是： 当蓄电池组的端电压因为某种原因（例如发生过充电或类似情况）超过上限值时，将满足
2-1
2-2
此时H 和L 两个比较单元均输出低电平，表示电池组发生了过压故障。当蓄电池组的端电压高于下限值而低于上限值时，将满足2-1 及2-2，此时H 比较单元输出高电平，L 比较单元输出低电平，表示电池组处于正常工作状态。当蓄电池组的端电压因为某种原因（例如电池组内的单体电池发生短路、失效或类似情况）而低于下限值时，将满足2-1 及2-2，此时H 和L 两个比较单元均输出低电平，表示电池组发生欠压故障。
3 系统上位机软件设计
本系统是在visual studio2012 开发平台上开发的一种人机交换的图形界面应用软件。其主要功能是实现对蓄电池电池组的电压状态的实时监控，并对电压数据进行采集、保存以及对电池端发送相关指令。还可以随时查看历史数据。
软件主要应用了visual studio2012 开发平台提供的Button 控件、label 标签、serialPort1 串口以及timer 计时器等相关控件。
软件设计核心代码：
1）事件处理程序
serialPort1.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(port_ DataReceived)，该代码必须手动添加，否则整个软件不能正常工作。
2）数据发送事件
WriteByteToSerialPort(byte data)。在数据的发送时间中，首先读取按键值，在对按键对应的指令进行编码并通过串口把指令传向上位机硬件电路，通过上位机硬件电路把上位机软件的指令发送到电池端。
3）数据接收事件
private void port_DataReceived(object sender，SerialDataReceivedEventArgs e) 。由于系统采用实时监控，所以在接收数据上，不断读取数据端口的值。通过编码实时显示在软件的主界面上。系统最终效果如图5。
4 总结
二端在线二次电池组充电自动均衡维护智能远程监控系统在将来可能成功的拓展到偏远移动基站电池组、电动汽车电池组等维护领域。只需在二次电子电池和与电池组外配增配监控模块，仅需增加3-5% 的费用，可以更加高效管理电子电池和电池组的外配，大量节约了远程维护成本。可以预测的是在不久的将来，配备有智能化远程监控系统的均衡充电装置有着更广阔的市场。
【参考文献】
[1]Andrew Troelsen 著朱晔译《C# 与.NET4 高级程序设计》人民邮电出版社 2011 年4 月
[2] 李言，李伟明，李贺《C# 项目开发全程实录》清华大学出版社.2012 年6 月
[3] 蒙博宇. 编著《STM32 自学笔记( 第2 版) 北京航空航天大学出版社 2014 年1 月
[4] 喻金钱，喻斌 编著《STM32F 系列ARMCortex-M3 核微控制器开发与应用》清华大学出版社2011 年4 月
图4 电池组状态检测单元原理图
图5 远程监控系统界面
图 1 系统的结构框图
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