蓄電池監(jiān)控模塊的設計以及其實現(xiàn)方案、在線檢測和測量 - 全文

1 引言

在本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，蓄電池監(jiān)控模塊是一個相對獨立的單元，擁有自己的處理器單元和數(shù)據采集單元。因此，它既能作為本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的一部分使用，同時加以簡單擴展就可以成為單獨使用的蓄電池在線檢測儀。本文詳細介紹了一套具有兩級集散式系統(tǒng)結構的本地用通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設計。

2 蓄電池監(jiān)控單元的整體實現(xiàn)方案

蓄電池監(jiān)控一直是國內外研究的熱點和難點問題，在本系統(tǒng)中，蓄電池監(jiān)控單元主要完成以下幾方面的功能：剩余容量的在線檢測、均/浮充方式轉換、單體端電壓測試及落后電池檢出、電池體溫度測試等等。其總體實現(xiàn)如圖1所示。

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圖1 蓄電池監(jiān)控單元的整體硬件結構

處理器模塊是蓄電池監(jiān)控單元的核心，在這里我們采用了ATMEL公司最新的RISC高性能單片機AT90S8515及大容量8KB的FLASHROM,不但保證了對大量數(shù)據進行高速分析處理，而且實現(xiàn)了對數(shù)據的保存查詢。

在數(shù)據采集模塊中，由于蓄電池監(jiān)控單元中需要處理的數(shù)據對精度均有特殊的要求，（比如對蓄電池內阻的測量通常為mΩ級，且必須有足夠的位數(shù)），同時由于蓄電池內阻、電壓均為緩慢變化的低時變信號，因此我們采用了16位的Σ-Δ型A/D轉換器AD7715,它具有自動校零、量程自動校準的功能，從而可以保證很高的測量精度，而且具有SPI接口，可以方便的與單片機接口。

蓄電池監(jiān)控單元中設有RS485的通信接口，與前端機主處理器之間以通信的形勢交換數(shù)據。因此在本系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊實際是作為一個智能設備與主監(jiān)控模塊聯(lián)系的。下面分別對內阻檢測模塊、單體電壓測試模塊、單體溫度測試模塊進行詳細的介紹。由于電流測試模塊與主處理單元的直流數(shù)據采集與處理類似，在此不再贅述。

3 蓄電池剩余容量的在線檢測

蓄電池的剩余容量是用戶最為關心的一個問題，它與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關，蓄電池剩余電量越高，則系統(tǒng)可靠性越高，否則反之。因此如何能夠在既不消耗蓄電池能量又不影響用電設備的正常工作的情況下，實時的在線監(jiān)測蓄電池的剩余電量，將有重要的實際意義。

蓄電池是個復雜的電化學系統(tǒng)，它在不同負載條件下運行時，蓄電池實際可供釋放的電量也不同。隨著蓄電池使用時間的增加，其實際可釋放的電量也將下降。過去，常依據蓄電池的端電壓來判斷蓄電池的好壞和其剩余電量的多少，但該方法有很大的局限性。隨著電池老化，其端電壓變化不明顯。因此，利用端電壓的變化來推算其剩余電量有一定困難，誤差較大。

3.1 幾種常用的剩余電量預測方法

目前預測蓄電池剩余電量的方案最有代表性的有如下幾種：

（1）密度法：蓄電池剩余電量和其內部電解液密度密切相關，電解液密度由硫酸鉛、氧化鉛和鉛三者決定。通過測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。但在電池使用后期，隨著正負極板的腐蝕、斷筋，上述三種物質的比例跟電池制造時的配制比例發(fā)生較大差異，從而導致用密度值推算剩余電量不再準確。同時由于目前的通信電源系統(tǒng)中大多采用的是閥控式鉛酸蓄電池，這一方法難以應用。

（2）開路電壓法：上面已提到，蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關，而N.RST方程描述了電解液與電池電動勢的關系。因此，通過測量蓄電池的開路電壓，就可以推算出蓄電池的剩余電量。其缺點在于隨著電池老化、剩余電量下降時，開路電壓變化不明顯，因此也就無法準確預測剩余電量。另外開路電壓是電池無載時的穩(wěn)態(tài)電壓，因此只能在電池靜置時方可測量，不適合實時在線測量。

（3）定時放電法：通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內的電池端電壓變化率，根據變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了實現(xiàn)在線測量，縮短測量時間，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會產生嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命。

（4）內阻法：研究表明，電池的內阻與荷電程度之間有較高的相關性，美國GNB公司曾對容量由200~1000安。時，電池組電壓由18~360V的近五百個VRLA電池進行了測試，實驗結果表明，內阻與電池容量的相關性非常好，相關系數(shù)可以達到88%.因此，通過測量電池內阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內阻相差2~4倍左右。隨著電池充電過程的進行，內阻逐步減??；隨著放電過程的進行，內阻逐步增大。另外，隨著電池老化，其內阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。蓄電池內阻與剩余電量的關系曲線如圖2所示。

圖2 蓄電池內阻與剩余電量的關系曲線

由于蓄電池完全充電和完全放電時內阻變化率比電池端電壓變化率（端電壓變化率約為30%~40%）要大得多，故用測量蓄電池內阻來預測其剩余電量，要比開路電壓法精確得多。內阻法的優(yōu)點在于對在線使用的蓄電池來說，此方法對系統(tǒng)影響最小，并可在電池的整個使用期內精確測量。

通過以上幾種測量方法的介紹及比較，不難看出內阻法最適合于密封蓄電池剩余電量的在線測量，因此，本系統(tǒng)采用了內阻法測量剩余容量。

3.2 內阻法預測剩余電量的實施方案

內阻法預測剩余電量的具體實施方法是：首先將蓄電池充滿電（以2V蓄電池為例，充電至2.35V,浮沖電流至10mA），然后以0.1C的放電率對電池放電，記錄下放電過程中內阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢后（2V蓄電池放電至1.75V）即可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池內阻之間的關系。將此曲線存入EPROM中，在以后測試同型號同規(guī)格的電池時，單片機根據在線測到的電池內阻值，通過查表計算，得出其剩余電量值。因此，此種方法的關鍵在于如何在線測得蓄電池的內阻，其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測電池端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角θ。顯然三者之間的關系為

R即為我們所要獲取的電池內阻值。其具體實現(xiàn)方案如圖3所示：

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圖3內阻法預測剩余電量的實現(xiàn)

其中300Hz信號發(fā)生電路由14位二進制串行計數(shù)/分頻器CD4060以及低通濾波電路組成，具體電路如圖4所示。恒流功放部分采用功率可達4W的音頻功率放大器。

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圖4 300Hz信號發(fā)生電路

4 蓄電池單體電壓的測量

《通信電源與空調集中監(jiān)控系統(tǒng)的技術要求》中規(guī)定蓄電池檢測裝置必須測量每只蓄電池的單體電壓。由于蓄電池串聯(lián)起來為通信設備供電，每只蓄電池對地的電位都不相同，其最高的共模電壓可達60V,對于一般的多路模擬開關、A/D轉換器來說，難以承受。因此，要對其進行測試，首先必須對浮地信號做共地處理或采取隔離措施。傳統(tǒng)的比較成熟的測試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理，基本原理如圖5所示。

圖5 傳統(tǒng)的單體電壓測試方法

其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到A區(qū)，對電解電容充電；等到需要測該蓄電池的電壓時，把繼電器閉合到B區(qū)，將電解電容和蓄電池隔離開來，由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號，因此，測試部分只需測電解電容上的電壓，即可得到相應的蓄電池電壓。這種方法無需采用線性光隔離等比較昂貴的器件，具有原理簡單、造價低的優(yōu)點。但是由于繼電器存在著機械動作慢，使用壽命低等缺陷，實踐證明，根據這一原理實現(xiàn)的檢測裝置在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。

4.1 硬件直接相減的方法的實現(xiàn)

硬件直接相減法的思想來源于數(shù)學上減法的概念。試想，如果用高差模增益的運放將蓄電池上的高電位按比例壓縮，即：首先將n號蓄電池的高端電位按照Rn1/Rn2的比例壓縮至模擬電子開關可以承受的程度，測量得到壓縮后的電壓值，然后由軟件將壓縮系數(shù)乘回去，即可得到n號蓄電池的高端電位，同理可得到第n號蓄電池的低端電位，然后通過軟件將兩者相減，即可得到第n號蓄電池的單體電壓。從理論上分析這種方法是可行的，但在實際中卻難以實現(xiàn)。比如，40V的電位，通過測試精度為0.1%的測試系統(tǒng)，其絕對誤差為±40mv,而38V的電位，通過同樣測試精度的系統(tǒng)，其絕對誤差為±38mv,兩者之間的絕對誤差累積為±78mv,顯然，其相對誤差可達到8%,這遠遠難以達到通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的要求。因此，這種減法器的方法在工程上是不可能實現(xiàn)的，但其思想卻十分具有參考價值：如果能夠解決誤差的連續(xù)累積問題，就有可能得到滿意精度的測量結果。為此我們用兩片高差模增益放大器設計了一種硬件直接相減的電路，其原理電路如圖6所示。

圖6 采用硬件直接相減法測量單體電壓的電路

圖6中，ICL7650是差模增益高達105/mV的運算放大器，從而能夠保證運算放大器的同相輸入端和反相輸入端的電位相等，都等于地電位。Rnp為保證運算放大器工作的平衡電阻。Vna為n號蓄電池的高端電位，Vnb為n號蓄電池的低端電位。