風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)電功率的波動(dòng)超過(guò)額定功率的10%，或是當(dāng)風(fēng)力引起葉片轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的10%時(shí)，系統(tǒng)主要依靠蓄電池組儲(chǔ)、供電能，以保證風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率穩(wěn)定。因此，作為輔助電能來(lái)源的閥控蓄電池組的工作狀態(tài)對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行極為重要。目前對(duì)于普通蓄電池組采用單片機(jī)作為主控單元的監(jiān)控方法[1-2]，但在風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行中，單片機(jī)受到發(fā)電機(jī)及其他輔助電器的電磁場(chǎng)干擾，其數(shù)據(jù)采集可靠性下降。本閥控蓄電池組監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）作為核心控制器，以全硬件方式工作，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池組的連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控[3-4]。

1 系統(tǒng)組成與工作原理
    圖1是電池監(jiān)控器的系統(tǒng)圖。圖中單個(gè)的電池通過(guò)適當(dāng)連接組成電池組；取樣電路對(duì)電池電壓取樣并進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換；A/D轉(zhuǎn)換器將取樣得到的多路模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD是本電池監(jiān)控系統(tǒng)的核心控制電路，其功能是控制取樣電路和A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓信號(hào)并進(jìn)行抗干擾數(shù)字濾波處理，通過(guò)通信接口輸出數(shù)據(jù)到觸摸屏人機(jī)界面（HMI）實(shí)時(shí)顯示電池電壓，當(dāng)電池低于設(shè)定值時(shí)輸出低電壓告警信號(hào)；低電壓設(shè)置電路用于設(shè)定正常工作的電池最低電壓值，給主控CPLD提供比較基準(zhǔn)電壓，此基準(zhǔn)電壓可在觸摸屏人機(jī)界面上設(shè)置。通信接口電路進(jìn)行硬件電平和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)或觸摸屏人機(jī)界面的連接[5-7]。

    圖2是主控電路原理圖。圖中JK1是電池組取樣輸入端子，其中端子1、2和電阻R1、R2、R3組成電池組中的第1個(gè)電池（1#電池）取樣電路。與此類似，端子3、4和電阻R4、R5、R6組成電池組中的2#電池取樣電路，…，端子15、16和電阻R22、R23、R24組成電池組中的8#電池取樣電路。取樣信號(hào)輸出端IN0，IN1，…，IN7連接到A/D轉(zhuǎn)換器；CMOS集成模擬開關(guān)U3、U4分時(shí)選擇取樣電池，模擬開關(guān)的控制端CNT1，CNT2，…，CNT8連接到CPLD的I/O口，由CPLD時(shí)序控制。上述取樣電路可控制8個(gè)電池的取樣，當(dāng)電池組中的電池?cái)?shù)量多于8個(gè)時(shí)，增加取樣電路和相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器，可使取樣電池?cái)?shù)以8的倍數(shù)增加，以滿足不同的功率配置需求。

    電壓采樣采用8路巡檢方式，A/D轉(zhuǎn)換電路采用8路輸入的ADC0809，在CPLD的控制下，將取樣電路的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。SW1撥碼開關(guān)與RB1排阻電阻器組成電壓最小值設(shè)置電路，可根據(jù)需要，設(shè)定電池組正常工作所需要的最低電壓值。
    圖3是通信接口電路，單片機(jī)P1口與CPLD數(shù)據(jù)線連接，讀出采樣數(shù)據(jù)；P3口的4個(gè)I/O線采用分時(shí)方式向CPLD輸出8位比較基準(zhǔn)電壓數(shù)據(jù)。通信接口芯片MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)或觸摸屏人機(jī)界面（HMI）的通信連接。

2 CPLD模塊設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)中采用Altera公司具有128邏輯宏單元的復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7128SLC84作為本電池監(jiān)控器的核心控制器，內(nèi)部設(shè)計(jì)有取樣控制模塊，A/D轉(zhuǎn)換控制模塊，抗干擾數(shù)字濾波模塊，低電壓設(shè)置與預(yù)判模塊；圖4是CPLD模塊連接圖（頂層設(shè)計(jì)圖）。

    圖中SAMPCNTL為取樣控制模塊，通過(guò)對(duì)外部模擬開關(guān)CD4066的分時(shí)控制,順序采樣各電池的電壓數(shù)據(jù)。
    DATAFILT為數(shù)字濾波模塊，對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲和周期性變化干擾，分別采用改進(jìn)的二次中值濾波和平均值濾波。其中改進(jìn)的二次中值濾波算法如下:設(shè)置數(shù)據(jù)窗J×K，對(duì)于每組的J個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行K組排序，取得每組的中值，得到一次中值序列：
   
式(2)中， m與取數(shù)起點(diǎn)有關(guān)，Med{·}表示取中值運(yùn)算。
    ADCNTL為A/D轉(zhuǎn)換控制模塊，A/D轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)了5狀態(tài)有限狀態(tài)機(jī)，圖5是有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

    圖中每個(gè)狀態(tài)生產(chǎn)檢測(cè)或輸出A/D轉(zhuǎn)換器的一組工作信號(hào)，并且在時(shí)序上滿足A/D器件的要求。圖6是A/D轉(zhuǎn)換控制模塊的時(shí)序仿真圖。
    圖5中有限狀態(tài)機(jī)循環(huán)轉(zhuǎn)換5個(gè)狀態(tài)State1~State5，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D0809的連續(xù)采樣控制。State1是初始化狀態(tài)，State2開始轉(zhuǎn)換，State3檢測(cè)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)end_conv，若end_conv為低電平，則保持State3狀態(tài)，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)線為高阻；若end_conv上跳為高電平，則表示A/D轉(zhuǎn)換完成，數(shù)據(jù)有效，進(jìn)入State4讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。State5是輸出數(shù)據(jù)鎖存狀態(tài)，控制lock1輸出數(shù)據(jù)鎖存脈沖，在時(shí)鐘上升沿將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)鎖存到寄存器中。由圖中可見，State3的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高速CPLD與低速A/D轉(zhuǎn)換器件的時(shí)序配合[8-9]。
    LOWBATTA為低電壓設(shè)置與預(yù)判模塊，本模塊讀入外部撥碼開關(guān)8位數(shù)據(jù)及通信接口電路分時(shí)8位設(shè)置數(shù)據(jù)并由寄存器保存，當(dāng)檢測(cè)數(shù)據(jù)有效時(shí)進(jìn)行數(shù)值比較，若檢測(cè)電壓值低于設(shè)置電壓值，則輸出告警數(shù)據(jù)。為防止虛警發(fā)生，采用了多次比較，多數(shù)表決算法。
3 系統(tǒng)在線檢測(cè)結(jié)果
    系統(tǒng)應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中閥控蓄電池組檢測(cè)的工作主界面每10 s記錄并顯示一組數(shù)據(jù)：時(shí)間、日期、電池組號(hào)、電壓值，以及電壓值超限告警的情況。頂部以走馬燈方式顯示告警原因，界面上顯示故障或低電壓電池號(hào)。電壓值/組號(hào)設(shè)置及告警顯示觸摸按鈕分別用于低電壓值設(shè)置、電池組號(hào)設(shè)置和告警歷史情況顯示。
    實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在HMI中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為EXCEL工作表形式，數(shù)據(jù)包含了當(dāng)前日期、時(shí)間、電池組號(hào)、測(cè)量電壓值等信息，可以存儲(chǔ)在大容量U盤或HMI的內(nèi)置SD卡中，方便將測(cè)量結(jié)果處理成各種數(shù)據(jù)圖表，為運(yùn)行管理提供基本數(shù)據(jù)。
    風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中閥控蓄電池組監(jiān)控裝置是系統(tǒng)的重要部件，開發(fā)高效率、高可靠的電池在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)于風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行具有重要價(jià)值。本電池智能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了在線運(yùn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明在運(yùn)行環(huán)境中具有較高的抗干擾能力，對(duì)于不同電池組配置有良好的適應(yīng)性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。進(jìn)一步的研究，可在保證可靠性的前提下，對(duì)系統(tǒng)的巡檢方式作適當(dāng)改進(jìn)，以增加單組電池的數(shù)量，提高監(jiān)測(cè)效率，滿足更大容量的功率配置。
參考文獻(xiàn)
[1] 秦紅磊，路輝，郎榮玲. 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)—硬件及軟件技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2007.
[2] 周志敏，周繼海，紀(jì)愛華. 充電器電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[3] 基于UKF的電動(dòng)汽車鋰電池SOC估計(jì)方法[J]. 測(cè)控技術(shù)，2010(3)：89-91.
[4] 徐志軍,徐光輝. CPLD/FPGA的開發(fā)與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.
[5] DELTA ELECTRONICS, INS.DOP-B manual NOV. 2010 [EB/OL]. [2010-11-01] http://www.delta.com.tw/ch/product/em/control/touch_hmi/download/manual/DOP-B_Q_TSE_20101101.pdf.
[6] HIRAKAWA K. A measuring and analyzing method for  batterie conditions using a new field data collection system. Evsl17, 2000.
[7] VASEBI A, BATHAEE S M T, PARTOVIBAKHSH M.  Predicting stste of lead-acid batteries for hybrid electric  vehicles by extended Kalman filters[J]. Energy Conversion and Management,2008,49(1):75-82.
[8] Altera ByteBlaster MV Parallel Port Download Cable. July 2000,Version3.3[EB/OL].http://www. Altera.com/datasheet/Parallel Port Download Cable.pdf.
[9]Altera Corporation.Altera Digital Library[Z].2002.