CN202856403U

CN202856403U - 一种蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元

Info

Publication number: CN202856403U
Application number: CN 201220501848
Authority: CN
Inventors: 邱书波; 李庆华; 牟伟清; 刘伟杰; 徐元
Original assignee: Shandong Institute of Light Industry
Current assignee: Shandong Institute of Light Industry
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2022-09-28

Abstract

本实用新型的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，它包括核心处理器单元、控制单元、电气执行单元和第一电源四部分；核心处理器单元其主要部分是MCU，MCU连接第一电源、控制单元和蓄电池，MCU还连接键盘和显示器，MCU还与上位机控制系统通信；控制单元包括电压、电流、温度测量电路，PWM、继电器控制信号输出电路，以及电压输出电路，连接并控制电气执行部分为蓄电池充放电控制；电气执行单元主要包括充电机和放电设备，直接连接蓄电池。本实用新型能够保证在完成蓄电池充放电操作的过程中，不受电磁等复杂环境的干扰，提高了控制器的处理速度和运行稳定性；V/F和F/V变换可以提高电路的转换精度。

Description

一种蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元

技术领域

本发明属于工业现场数据采集领域，主要应用于蓄电池充放电过程的优化控制，涉及一种蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元。

背景技术

随着高科技及其产业的迅速发展，大存储容量的蓄电池组能源系统已经越来越被人们所重视，在诸如电动汽车、大功率UPS、电厂及变电站直流系统、通信系统等很多领域中都得到广泛应用。一般蓄电池出厂时必须进行“三充两放”和容量校核，用户在使用过程中也必须通过定期的充放电以消除极化效应。因此，合理地进行蓄电池充放电对蓄电池的管理至关重要。由于蓄电池组是由一定数量的单体电池串联组成，在使用过程中可能会有百次直至千次的充、放电。各单体蓄电池过充电、过放电或者放电不足均易引起电池的故障，某个单体蓄电池的故障也会导致整个蓄电池组的故障和损坏。因此，在线实时检测蓄电池组充放电各单体蓄电池的充放电电压、充放电时的温升以及整个蓄电池组的充放电电流、电压等参数，及时找出损坏或性能显著降低的蓄电池，对于延长电池的使用寿命、降低成本特别是提高直流供电系统的可靠性至关重要。在蓄电池生产现场，电池的充放电都会产生强烈的电磁干扰，进而影响设备的正常运行，如何解决这一问题，提高蓄电池组充、放电控制的效率，是当前这一领域的研究热点。

发明内容

本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，以克服现有蓄电池充放电控制单元中MCU运行速率慢、控制精度低、电气执行部分与控制部分相互影响较大、主控系统控制的分散、终端控制单元数量较少及系统运行不稳定等方面不足。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特殊之处在于：它包括核心处理器单元、控制单元、电气执行单元和第一电源四部分；

核心处理器单元其主要部分是MCU及其外围接口电路，MCU连接第一电源、控制单元和蓄电池，MCU还连接键盘和显示器，提供人机交互，按用户设定的运行曲线为控制单元提供控制信号，同时接收控制单元采集的蓄电池参数及外围环境参数，并经显示器实时显示，最后完成与上位机控制系统的通信；

控制单元包括输入信号通道和输出信号通道，输入信号通道包括电压测量电路、电流测量电路、温度测量电路，输出信号通道包括PWM控制信号输出电路、继电器控制信号输出电路、电压输出电路，它们连接并控制电气执行部分为蓄电池充放电控制，用于完成控制任务；

电气执行单元主要包括充电机和放电设备，直接连接蓄电池，完成蓄电池充放电的最后执行要求。

优选方案为，控制单元的外围电路采用独立电路，将外围电路划分为第二电源部分和控制板部分，两部分相互连接，控制板部分内部的电压测量电路、电流测量电路、温度测量电路、电压输出电路、PWM和继电器控制信号输出电路各自连接MCU、分别独立运行。

控制单元的每个独立通道内部采用光电隔离结构，在输入信号通道和输出信号通道使用光电耦合器隔离信号。

核心处理器单元MCU使用ARM系列的Cortex-M3处理器。

电压、电流、温度测量电路的内部信号转换采用V/F变换，PWM控制信号输出电路内部信号转换采用F/V变换。

本发明的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，与上位机控制系统通过CAN总线进行数据通信，CAN转以太网模块与交换机连接，经过交换机与上位机进行通信。

充电过程中采用的充电方式有：恒压定电流充电，恒压定安时充电，恒压定时间充电，恒流定时间充电，恒流定安时充电，恒流定电压充电。

放电过程中采用的放电方式有：恒流定电压放电，恒流定时放电，恒流定安时放电。

本发明的有益效果是，本发明的独立布局电路和通道光电隔离设计理念能够保证终端控制单元在完成蓄电池充放电操作的过程中，不受电磁等复杂环境的干扰，采用了Cortex-M3处理器提高了控制器的处理速度和运行稳定性；V/F和F/V变换可以提高电路的转换精度，因此可以应用于环境复杂和高要求的工业现场。

附图说明

图1是MCU及其外围接口电路示意图。图2是本发明的终端控制单元结构示意图。

具体实施方式

附图为本发明的一种具体实施例。

本发明的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，包括核心处理器单元、控制单元、电气执行单元和第一电源四部分。核心处理器单元的核心部分是MCU及其外围接口，详细结构可见附图1，MCU连接第一电源、控制单元和蓄电池，MCU还连接键盘和显示器，其作用是提供人机交互，根据用户设定的控制曲线输出控制信号，提供给控制单元，同时接收控制单元采集的蓄电池参数（电压、电流、温度、）及外围环境参数（温度、湿度），并经显示器实时显示参数，最后完成与上位机控制系统的通信；控制单元包括输入信号通道和输出信号通道，输入信号通道包括2路温度测量电路、1路电压测量电路、1路电流测量电路，输出信号通道包括1路PMW控制信号输出电路、1路继电器控制信号输出电路、电压输出电路，其作用是完成控制任务，控制电气执行部分为蓄电池充放电控制。电气执行单元的常见设备就是充电机和放电设备，直接连接蓄电池，其作用就是实现对蓄电池的充放电的最后执行。

核心处理器单元MCU使用ARM系列的32位嵌入式Cortex-M3处理器。具有处理速度快、价格低廉、性价比高等特点，并且处理器不需要操作系统，开发容易，并且运行稳定。相比一般的8位单片机处理速度快，运行稳定。这就增加了整个控制系统的运行稳定性以及运行速度。

为了完全隔离电池充放电执行系统与控制系统，保证通道之间互不干扰，控制单元的外围电路采用独立设置电路，将外围电路划分为第二电源部分和控制板部分，两部分相互连接。对控制单元的控制板部分，将其内部电路如电压测量电路、电流测量电路、温度测量电路、电压输出电路、PWM控制信号输出电路和继电器控制信号输出电路等电路各自连接MCU，各自连接第二电源部分，并且各电路分别独立运行。

为了减少电磁干扰对各独立通道的影响，控制单元的每个独立通道内部采用光电隔离结构，在输入信号通道和输出信号通道使用光电耦合器隔离信号，进而保证了各独立通道的可靠性。电压测量电路、电流测量电路、温度测量电路等测量电路属于输入信号通道，PWM控制信号输出电路和继电器控制信号输出电路属于输出信号通道。PWM控制信号输出电路设有PID调节器。

本发明的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，MCU与上位机控制系统通过CAN总线进行数据通信，CAN转以太网模块与交换机连接，经过交换机与上位机进行通信。

为了提高电路的参数的采集精度和控制信号的输出精度，电压、电流、温度测量电路的内部信号转换采用V/F变换，PWM控制信号输出电路内部信号转换采用F/V变换。这样提高了电路的参数的采集精度和控制信号的输出精度，也提高了抗干扰能力。输入输出电压、电流精度≤0.5%（350A/0V-350V,100A/0V-350V,50A/0V-200V）（1路电压、1路电流）；单体电池电压精度≤0.1% (0V-5V) ；温度测量范围0-80℃，测量精度±0.5℃；（1路电池温度、1路环境温度）；时间误差≤0.1s/h。

本发明的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，主要完成对蓄电池充放电过程进行控制，同时检测电池组的参数，例如，电压、电流、温度，对蓄电池性能进行优化。其主要功能如下：

1、终端控制单元具有充电、放电、静止（不充充电不放电，继电器不吸合，输出给定信号为零）、循环(在停止时判断整个工艺程序的循环次数)、暂停、停止等控制功能。

2、终端控制单元在充多阶段充放电过程中能自动转换条件，电压、电流、时间、安时可以任意组合；相邻相同的两个阶段，不用切换接触器。

3、终端控制充电过程中采用的充电方式有以下几种：恒压定电流充电（恒压充电，当电流减小到设定电流值时结束），恒压定安时充电（恒压充电，当到设定安时值时结束），恒压定时间充电，恒流定时间充电，恒流定安时充电，恒流定电压充电（恒压充电，当电压到设定电压值时结束）；

4、终端控制放电过程中采用的放电方式有以下几种：恒流定电压放电（恒流放电，当电压到设定电压值时结束），恒流定时放电，恒流定安时放电。

5、终端控制单元具有存储功能，单回路设备应能存储5个充放电程序，每个程序可有30个步骤组成，单台设备可以编制充放电程序；充放电时，安时应单独累计，并按照步骤存储。

6、终端控制单元在控制过程采用键盘输入，程序编制，系统操作；采用4*16字符型液晶显示器，显示英文参数。

7、整个控制系统采用单回路设备、上位机联网控制方式。

8、兼容性强：可根据用户的具体要求适当增加或简化控制器的功能模块。

本发明的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，使用方法如下：

蓄电池充放电集散控制系统完成整体联接后，终端控制单元开始实现自身的功能。

首先它可以通过CAN总线与上位机实现通信，一方面可以接受上位机传输的程序控制要求；另一方面可以将终端控制单元采集的数据实时的传输至上位机，以便于监测整个控制系统的运行状况。

其次，终端控制单元本身可以接受程序员通过键盘输入的程序，并按照程序要求控制蓄电池的充放电过程。此过程的实现主要是处理器核心单元输出控制信号，经控制单元的PWM通道和继电器信号通道，对充电机和放电设备进行控制，实现蓄电池按照充放电控制程序运行。

最后，终端控制单元可以采集现场的温度以及所控制的蓄电池的各项参数，例如，蓄电池电压、电流、温度、以及安时数等，这样便于监测蓄电池的充放电情况，以便于工作人员对程序作出适当的修改，使得蓄电池的充放电过程得到优化。此过程控制单元采集各参数后，经过温度、电压、电流采集通道将各参数传输至处理器核心单元，经液晶显示器显示采集到的实时数据，同时数据可以通过CAN总线将数据传输至上位机控制系统。

Claims

1.一种蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：它包括核心处理器单元、控制单元、电气执行单元和第一电源四部分；

2.根据权利要求1所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：控制单元的外围电路采用独立电路，将外围电路划分为第二电源部分和控制板部分，两部分相互连接，控制板部分内部的电压测量电路、电流测量电路、温度测量电路、电压输出电路、PWM控制信号输出电路和继电器控制信号输出电路各自连接MCU、分别独立运行。

3.根据权利要求2所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：控制单元的每个独立通道内部采用光电隔离结构，在输入信号通道和输出信号通道使用光电耦合器隔离信号。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：核心处理器单元MCU使用ARM系列的Cortex-M3处理器。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：电压、电流、温度测量电路的内部信号转换采用V/F变换，PWM控制信号输出电路内部信号转换采用F/V变换。

6.根据权利要求1-3中任意一项所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：它与上位机控制系统通过CAN总线进行数据通信，CAN转以太网模块与交换机连接，经过交换机与上位机进行通信。

7.根据权利要求1-3中任意一项所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：充电过程中采用的充电方式有：恒压定电流充电，恒压定安时充电，恒压定时间充电，恒流定时间充电，恒流定安时充电，恒流定电压充电。

8.根据权利要求1-3中任意一项所述的蓄电池充放电集散控制系统的终端控制单元，其特征在于：放电过程中采用的放电方式有：恒流定电压放电，恒流定时放电，恒流定安时放电。