風光互補發電系統中，當發電功率的波動超過額定功率的10%，或是當風力引起葉片轉速低于額定轉速的10%時，系統主要依靠蓄電池組儲、供電能，以保證風光互補發電系統的輸出功率穩定。因此，作為輔助電能來源的閥控蓄電池組的工作狀態對于發電系統的正常運行極為重要。目前對于普通蓄電池組采用單片機作為主控單元的監控方法[1-2]，但在風光互補發電系統運行中，單片機受到發電機及其他輔助電器的電磁場干擾，其數據采集可靠性下降。本閥控蓄電池組監控系統設計了復雜可編程邏輯器件（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、可靠性高的特點，實現了對蓄電池組的連續實時監控[3-4]。

1 系統組成與工作原理
    圖1是電池監控器的系統圖。圖中單個的電池通過適當連接組成電池組；取樣電路對電池電壓取樣并進行電平轉換；A/D轉換器將取樣得到的多路模擬電壓轉換為數字信號；復雜可編程邏輯器件CPLD是本電池監控系統的核心控制電路，其功能是控制取樣電路和A/D轉換器進行模數轉換，讀取轉換后的數字電壓信號并進行抗干擾數字濾波處理，通過通信接口輸出數據到觸摸屏人機界面（HMI）實時顯示電池電壓，當電池低于設定值時輸出低電壓告警信號；低電壓設置電路用于設定正常工作的電池最低電壓值，給主控CPLD提供比較基準電壓，此基準電壓可在觸摸屏人機界面上設置。通信接口電路進行硬件電平和通信協議轉換，實現系統與上位機或觸摸屏人機界面的連接[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。取樣信號輸出端IN0，IN1，…，IN7連接到A/D轉換器；CMOS集成模擬開關U3、U4分時選擇取樣電池，模擬開關的控制端CNT1，CNT2，…，CNT8連接到CPLD的I/O口，由CPLD時序控制。上述取樣電路可控制8個電池的取樣，當電池組中的電池數量多于8個時，增加取樣電路和相應的A/D轉換器，可使取樣電池數以8的倍數增加，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轉換為數字信號。SW1撥碼開關與RB1排阻電阻器組成電壓最小值設置電路，可根據需要，設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P1口與CPLD數據線連接，讀出采樣數據；P3口的4個I/O線采用分時方式向CPLD輸出8位比較基準電壓數據。通信接口芯片MAX232進行電平轉換，實現對上位機或觸摸屏人機界面（HMI）的通信連接。

2 CPLD模塊設計
    設計中采用Altera公司具有128邏輯宏單元的復雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM7128SLC84作為本電池監控器的核心控制器，內部設計有取樣控制模塊，A/D轉換控制模塊，抗干擾數字濾波模塊，低電壓設置與預判模塊；圖4是CPLD模塊連接圖（頂層設計圖）。

    圖中SAMPCNTL為取樣控制模塊，通過對外部模擬開關CD4066的分時控制,順序采樣各電池的電壓數據。
    DATAFILT為數字濾波模塊，對于風光互補發電系統產生的隨機噪聲和周期性變化干擾，分別采用改進的二次中值濾波和平均值濾波。其中改進的二次中值濾波算法如下:設置數據窗J×K，對于每組的J個數據進行K組排序，取得每組的中值，得到一次中值序列：
   
式(2)中， m與取數起點有關，Med{·}表示取中值運算。
    ADCNTL為A/D轉換控制模塊，A/D轉換控制設計了5狀態有限狀態機，圖5是有限狀態機狀態轉移圖。

    圖中每個狀態生產檢測或輸出A/D轉換器的一組工作信號，并且在時序上滿足A/D器件的要求。圖6是A/D轉換控制模塊的時序仿真圖。
    圖5中有限狀態機循環轉換5個狀態State1~State5，實現對A/D0809的連續采樣控制。State1是初始化狀態，State2開始轉換，State3檢測轉換結束信號end_conv，若end_conv為低電平，則保持State3狀態，等待轉換結束，數據線為高阻；若end_conv上跳為高電平，則表示A/D轉換完成，數據有效，進入State4讀數據狀態。State5是輸出數據鎖存狀態，控制lock1輸出數據鎖存脈沖，在時鐘上升沿將轉換好的數據鎖存到寄存器中。由圖中可見，State3的設計實現了高速CPLD與低速A/D轉換器件的時序配合[8-9]。
    LOWBATTA為低電壓設置與預判模塊，本模塊讀入外部撥碼開關8位數據及通信接口電路分時8位設置數據并由寄存器保存，當檢測數據有效時進行數值比較，若檢測電壓值低于設置電壓值，則輸出告警數據。為防止虛警發生，采用了多次比較，多數表決算法。
3 系統在線檢測結果
    系統應用于風光互補發電系統中閥控蓄電池組檢測的工作主界面每10 s記錄并顯示一組數據：時間、日期、電池組號、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。電壓值/組號設置及告警顯示觸摸按鈕分別用于低電壓值設置、電池組號設置和告警歷史情況顯示。
    實測數據在HMI中的數據結構設計為EXCEL工作表形式，數據包含了當前日期、時間、電池組號、測量電壓值等信息，可以存儲在大容量U盤或HMI的內置SD卡中，方便將測量結果處理成各種數據圖表，為運行管理提供基本數據。
    風光互補發電系統中閥控蓄電池組監控裝置是系統的重要部件，開發高效率、高可靠的電池在線檢測技術對于風光互補發電系統的平穩可靠運行具有重要價值。本電池智能監控系統進行了在線運行試驗。結果表明在運行環境中具有較高的抗干擾能力，對于不同電池組配置有良好的適應性，具有一定的實用價值。進一步的研究，可在保證可靠性的前提下，對系統的巡檢方式作適當改進，以增加單組電池的數量，提高監測效率，滿足更大容量的功率配置。
參考文獻
[1] 秦紅磊，路輝，郎榮玲. 自動測試系統—硬件及軟件技術[M]. 北京：高等教育出版社，2007.
[2] 周志敏，周繼海，紀愛華. 充電器電路設計與應用[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[3] 基于UKF的電動汽車鋰電池SOC估計方法[J]. 測控技術，2010(3)：89-91.
[4] 徐志軍,徐光輝. CPLD/FPGA的開發與應用[M]. 北京：電子工業出版社，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.