專利名稱：一種蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，主要應(yīng)用于蓄電池充放電過程的優(yōu)化控制，涉及一種蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元。
背景技術(shù)：
隨著高科技及其產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，大存儲容量的蓄電池組能源系統(tǒng)已經(jīng)越來越被人們所重視，在諸如電動汽 車、大功率UPS、電廠及變電站直流系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等很多領(lǐng)域中都得到廣泛應(yīng)用。一般蓄電池出廠時(shí)必須進(jìn)行“三充兩放”和容量校核，用戶在使用過程中也必須通過定期的充放電以消除極化效應(yīng)。因此，合理地進(jìn)行蓄電池充放電對蓄電池的管理至關(guān)重要。由于蓄電池組是由一定數(shù)量的單體電池串聯(lián)組成，在使用過程中可能會有百次直至千次的充、放電。各單體蓄電池過充電、過放電或者放電不足均易引起電池的故障，某個(gè)單體蓄電池的故障也會導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組的故障和損壞。因此，在線實(shí)時(shí)檢測蓄電池組充放電各單體蓄電池的充放電電壓、充放電時(shí)的溫升以及整個(gè)蓄電池組的充放電電流、電壓等參數(shù)，及時(shí)找出損壞或性能顯著降低的蓄電池，對于延長電池的使用壽命、降低成本特別是提高直流供電系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。在蓄電池生產(chǎn)現(xiàn)場，電池的充放電都會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾，進(jìn)而影響設(shè)備的正常運(yùn)行，如何解決這一問題，提高蓄電池組充、放電控制的效率，是當(dāng)前這一領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，以克服現(xiàn)有蓄電池充放電控制單元中MCU運(yùn)行速率慢、控制精度低、電氣執(zhí)行部分與控制部分相互影響較大、主控系統(tǒng)控制的分散、終端控制單元數(shù)量較少及系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等方面不足。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特殊之處在于它包括核心處理器單元、控制單元、電氣執(zhí)行單元和第一電源四部分；
核心處理器單元其主要部分是MCU及其外圍接口電路，MCU連接第一電源、控制單元和蓄電池，MCU還連接鍵盤和顯示器，提供人機(jī)交互，按用戶設(shè)定的運(yùn)行曲線為控制單元提供控制信號，同時(shí)接收控制單元采集的蓄電池參數(shù)及外圍環(huán)境參數(shù)，并經(jīng)顯示器實(shí)時(shí)顯示，最后完成與上位機(jī)控制系統(tǒng)的通信；
控制單元包括輸入信號通道和輸出信號通道，輸入信號通道包括電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路，輸出信號通道包括PWM控制信號輸出電路、繼電器控制信號輸出電路、電壓輸出電路，它們連接并控制電氣執(zhí)行部分為蓄電池充放電控制，用于完成控制任務(wù);
電氣執(zhí)行單元主要包括充電機(jī)和放電設(shè)備，直接連接蓄電池，完成蓄電池充放電的最后執(zhí)行要求。
優(yōu)選方案為，控制單元的外圍電路采用獨(dú)立電路，將外圍電路劃分為第二電源部分和控制板部分，兩部分相互連接，控制板部分內(nèi)部的電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路、電壓輸出電路、PWM和繼電器控制信號輸出電路各自連接MCU、分別獨(dú)立運(yùn)行?？刂茊卧拿總€(gè)獨(dú)立通道內(nèi)部采用光電隔離結(jié)構(gòu)，在輸入信號通道和輸出信號通道使用光電耦合器隔離信號。核心處理器單元MCU使用ARM系列的Cortex_M3處理器。電壓、電流、溫度測量電路的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換采用V/F變換，PWM控制信號輸出電路內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換采用F/V變換。本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，與上位機(jī)控制系統(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊與交換機(jī)連接，經(jīng)過交換機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信。
充電過程中采用的充電方式有恒壓定電流充電，恒壓定安時(shí)充電，恒壓定時(shí)間充電，恒流定時(shí)間充電，恒流定安時(shí)充電，恒流定電壓充電。放電過程中采用的放電方式有恒流定電壓放電，恒流定時(shí)放電，恒流定安時(shí)放電。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的獨(dú)立布局電路和通道光電隔離設(shè)計(jì)理念能夠保證終端控制單元在完成蓄電池充放電操作的過程中，不受電磁等復(fù)雜環(huán)境的干擾，采用了CorteX-M3處理器提高了控制器的處理速度和運(yùn)行穩(wěn)定性；V/F和F/V變換可以提高電路的轉(zhuǎn)換精度，因此可以應(yīng)用于環(huán)境復(fù)雜和高要求的工業(yè)現(xiàn)場。


圖I是MCU及其外圍接口電路示意圖。圖2是本發(fā)明的終端控制單元結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式附圖為本發(fā)明的一種具體實(shí)施例。本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，包括核心處理器單元、控制單元、電氣執(zhí)行單元和第一電源四部分。核心處理器單元的核心部分是MCU及其外圍接口，詳細(xì)結(jié)構(gòu)可見附圖1，MCU連接第一電源、控制單元和蓄電池，MCU還連接鍵盤和顯示器，其作用是提供人機(jī)交互，根據(jù)用戶設(shè)定的控制曲線輸出控制信號，提供給控制單元，同時(shí)接收控制單元采集的蓄電池參數(shù)(電壓、電流、溫度、)及外圍環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)，并經(jīng)顯示器實(shí)時(shí)顯示參數(shù)，最后完成與上位機(jī)控制系統(tǒng)的通信；控制單元包括輸入信號通道和輸出信號通道，輸入信號通道包括2路溫度測量電路、I路電壓測量電路、I路電流測量電路，輸出信號通道包括I路PMW控制信號輸出電路、I路繼電器控制信號輸出電路、電壓輸出電路，其作用是完成控制任務(wù)，控制電氣執(zhí)行部分為蓄電池充放電控制。電氣執(zhí)行單元的常見設(shè)備就是充電機(jī)和放電設(shè)備，直接連接蓄電池，其作用就是實(shí)現(xiàn)對蓄電池的充放電的最后執(zhí)行。核心處理器單元MCU使用ARM系列的32位嵌入式Cortex_M3處理器。具有處理速度快、價(jià)格低廉、性價(jià)比高等特點(diǎn)，并且處理器不需要操作系統(tǒng)，開發(fā)容易，并且運(yùn)行穩(wěn)定。相比一般的8位單片機(jī)處理速度快，運(yùn)行穩(wěn)定。這就增加了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性以及運(yùn)行速度。
為了完全隔離電池充放電執(zhí)行系統(tǒng)與控制系統(tǒng)，保證通道之間互不干擾，控制單元的外圍電路采用獨(dú)立設(shè)置電路，將外圍電路劃分為第二電源部分和控制板部分，兩部分相互連接。對控制單元的控制板部分，將其內(nèi)部電路如電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路、電壓輸出電路、PWM控制信號輸出電路和繼電器控制信號輸出電路等電路各自連接MCU，各自連接第二電源部分，并且各電路分別獨(dú)立運(yùn)行。為了減少電磁干擾對各獨(dú)立通道的影響，控制單元的每個(gè)獨(dú)立通道內(nèi)部采用光電隔離結(jié)構(gòu)，在輸入信號通道和輸出信號通道使用光電耦合器隔離信號，進(jìn)而保證了各獨(dú)立通道的可靠性。電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路等測量電路屬于輸入信號通道，PWM控制信號輸出電路和繼電器控制信號輸出電路屬于輸出信號通道。PWM控制信號輸出電路設(shè)有PID調(diào)節(jié)器。本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，MCU與上位機(jī)控制系統(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊與交換機(jī)連接，經(jīng)過交換機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通 目。
為了提高電路的參數(shù)的采集精度和控制信號的輸出精度，電壓、電流、溫度測量電路的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換采用V/F變換，PWM控制信號輸出電路內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換采用F/V變換。這樣提高了電路的參數(shù)的采集精度和控制信號的輸出精度，也提高了抗干擾能力。輸入輸出電壓、電流精度< O. 5% (350A/0V-350V, 100A/0V-350V, 50A/0V-200V) (I 路電壓、1 路電流)；單體電池電壓精度彡O. 1% (0V-5V);溫度測量范圍0-80°C，測量精度±0. 50C ; (I路電池溫度、I路環(huán)境溫度)；時(shí)間誤差彡O. ls/h。本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，主要完成對蓄電池充放電過程進(jìn)行控制，同時(shí)檢測電池組的參數(shù)，例如，電壓、電流、溫度，對蓄電池性能進(jìn)行優(yōu)化。其主要功能如下
I、終端控制單元具有充電、放電、靜止(不充充電不放電，繼電器不吸合，輸出給定信號為零)、循環(huán)(在停止時(shí)判斷整個(gè)工藝程序的循環(huán)次數(shù))、暫停、停止等控制功能。2、終端控制單元在充多階段充放電過程中能自動轉(zhuǎn)換條件，電壓、電流、時(shí)間、安時(shí)可以任意組合；相鄰相同的兩個(gè)階段，不用切換接觸器。3、終端控制充電過程中采用的充電方式有以下幾種恒壓定電流充電(恒壓充電，當(dāng)電流減小到設(shè)定電流值時(shí)結(jié)束)，恒壓定安時(shí)充電(恒壓充電，當(dāng)?shù)皆O(shè)定安時(shí)值時(shí)結(jié)束)，恒壓定時(shí)間充電，恒流定時(shí)間充電，恒流定安時(shí)充電，恒流定電壓充電(恒壓充電，當(dāng)電壓到設(shè)定電壓值時(shí)結(jié)束);
4、終端控制放電過程中采用的放電方式有以下幾種恒流定電壓放電(恒流放電，當(dāng)電壓到設(shè)定電壓值時(shí)結(jié)束)，恒流定時(shí)放電，恒流定安時(shí)放電。5、終端控制單元具有存儲功能，單回路設(shè)備應(yīng)能存儲5個(gè)充放電程序，每個(gè)程序可有30個(gè)步驟組成，單臺設(shè)備可以編制充放電程序；充放電時(shí)，安時(shí)應(yīng)單獨(dú)累計(jì)，并按照步驟存儲。6、終端控制單元在控制過程采用鍵盤輸入，程序編制，系統(tǒng)操作；采用4*16字符型液晶顯示器，顯示英文參數(shù)。7、整個(gè)控制系統(tǒng)采用單回路設(shè)備、上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)控制方式。8、兼容性強(qiáng)可根據(jù)用戶的具體要求適當(dāng)增加或簡化控制器的功能模塊。
本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，使用方法如下
蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)完成整體聯(lián)接后，終端控制單元開始實(shí)現(xiàn)自身的功能。首先它可以通過CAN總線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通信，一方面可以接受上位機(jī)傳輸?shù)某绦蚩刂埔?；另一方面可以將終端控制單元采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸至上位機(jī)，以便于監(jiān)測整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。其次，終端控制單元本身可以接受程序員通過鍵盤輸入的程序，并按照程序要求控制蓄電池的充放電過程。此過程的實(shí)現(xiàn)主要是處理器核心單元輸出控制信號，經(jīng)控制單元的PWM通道和繼電器信號通道，對充電機(jī)和放電設(shè)備進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)蓄電池按照充放電控制程序運(yùn)行。最后，終端控制單元可以采集現(xiàn)場的溫度以及所控制的蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)，例如，蓄電池電壓、電流、溫度、以及安時(shí)數(shù)等，這樣便于監(jiān)測蓄電池的充放電情況，以便于工作人員對程序作出適當(dāng)?shù)男薷?，使得蓄電池的充放電過程得到優(yōu)化。此過程控制單元采集各參 數(shù)后，經(jīng)過溫度、電壓、電流采集通道將各參數(shù)傳輸至處理器核心單元，經(jīng)液晶顯示器顯示采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)可以通過CAN總線將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于它包括核心處理器單元、控制單元、電氣執(zhí)行單元和第一電源四部分； 核心處理器單元其主要部分是MCU及其外圍接口電路，MCU連接第一電源、控制單元和蓄電池，MCU還連接鍵盤和顯示器，提供人機(jī)交互，按用戶設(shè)定的運(yùn)行曲線為控制單元提供控制信號，同時(shí)接收控制單元采集的蓄電池參數(shù)及外圍環(huán)境參數(shù)，并經(jīng)顯示器實(shí)時(shí)顯示，最后完成與上位機(jī)控制系統(tǒng)的通信； 控制單元包括輸入信號通道和輸出信號通道，輸入信號通道包括電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路，輸出信號通道包括PWM控制信號輸出電路、繼電器控制信號輸出電路、電壓輸出電路，它們連接并控制電氣執(zhí)行部分為蓄電池充放電控制，用于完成控制任務(wù); 電氣執(zhí)行單元主要包括充電機(jī)和放電設(shè)備，直接連接蓄電池，完成蓄電池充放電的最后執(zhí)行要求。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于控制單元的外圍電路采用獨(dú)立電路，將外圍電路劃分為第二電源部分和控制板部分，兩部分相互連接，控制板部分內(nèi)部的電壓測量電路、電流測量電路、溫度測量電路、電壓輸出電路、PWM控制信號輸出電路和繼電器控制信號輸出電路各自連接MCU、分別獨(dú)立運(yùn)行。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于控制單元的每個(gè)獨(dú)立通道內(nèi)部采用光電隔離結(jié)構(gòu)，在輸入信號通道和輸出信號通道使用光電耦合器隔離信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于核心處理器單元MCU使用ARM系列的Cortex-M3處理器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于電壓、電流、溫度測量電路的內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換采用V/F變換，PWM控制信號輸出電路內(nèi)部信號轉(zhuǎn)換采用F/V變換。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于它與上位機(jī)控制系統(tǒng)通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，CAN轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊與交換機(jī)連接，經(jīng)過交換機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行通信。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于充電過程中采用的充電方式有恒壓定電流充電，恒壓定安時(shí)充電，恒壓定時(shí)間充電，恒流定時(shí)間充電，恒流定安時(shí)充電，恒流定電壓充電。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項(xiàng)所述的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，其特征在于放電過程中采用的放電方式有恒流定電壓放電，恒流定時(shí)放電，恒流定安時(shí)放電。
全文摘要
本發(fā)明的蓄電池充放電集散控制系統(tǒng)的終端控制單元，它包括核心處理器單元、控制單元、電氣執(zhí)行單元和第一電源四部分；核心處理器單元其主要部分是MCU，MCU連接第一電源、控制單元和蓄電池，MCU還連接鍵盤和顯示器，MCU還與上位機(jī)控制系統(tǒng)通信；控制單元包括電壓、電流、溫度測量電路，PWM、繼電器控制信號輸出電路，以及電壓輸出電路，連接并控制電氣執(zhí)行部分為蓄電池充放電控制；電氣執(zhí)行單元主要包括充電機(jī)和放電設(shè)備，直接連接蓄電池。本發(fā)明能夠保證在完成蓄電池充放電操作的過程中，不受電磁等復(fù)雜環(huán)境的干擾，提高了控制器的處理速度和運(yùn)行穩(wěn)定性；V/F和F/V變換可以提高電路的轉(zhuǎn)換精度。
文檔編號H02J7/00GK102842938SQ20121036791
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月28日
發(fā)明者邱書波, 李慶華, 牟偉清, 劉偉杰, 徐元 申請人:山東輕工業(yè)學(xué)院