蓄電池性能在線監測技術研究

蘇硯魁

(云南電網公司保山供電局，云南 保山 S 678000)

0 前言

在電力系統中，綜合自動化裝置、繼電保護裝置、照明系統等均由直流系統供電。因此，直流系統的穩定、可靠對系統的安全運行有著及其重要的作用。蓄電池組在直流電源中充當了后備電源的角色。在正常工作狀態下，充電機對蓄電池充電;當系統中的交流電源失電時，蓄電池立即帶負荷運行。為確保直流系統的可靠性和穩定性，必須實現對蓄電池性能的全面、準確地在線監測。

1 蓄電池在線監測原理

通常，對直流系統蓄電池性能的在線監測是通過對單體電池端電壓的測量及核對性放電來實現。這種測試方法主要是在蓄電池浮充狀態下完成，無法反映出蓄電池的真實性能狀況，其主要原因是在浮充時，蓄電池性能即使比較差，所測得的端電壓也可能是合格的，但其本身的剩余容量無法滿足在交流系統停電時的性能需求，極易導致事故范圍擴大［1］。

根據IEEE1188－1996 技術標準，蓄電池容量與電池內阻有著很大的相關性。一般情況下，電池容量和內阻成反比，要想對容量進行準確的評估，就需要對蓄電池內阻進行精確的測試。一套較完善的蓄電池在線監測系統應具備蓄電池組單體電池電壓、內阻、充放電電流以及溫度的測量功能［1－2］。同時，在線監測系統還應能夠將蓄電池組的測試信息通過網絡傳送到監控中心，實現遠程監控和信息管理。

1.1 單體電池電壓測量

對于容量較大的直流操作電源系統，蓄電池多使用108 節，單體額定電壓為2V 的電池串聯獲取。其中，單體電池的兩端共模電壓比較高，往往會超出模擬開關共模電壓輸入范圍，為了消除這一影響，可以通過輪流切換電磁繼電器來測量單體電池電壓。考慮到電磁繼電器壽命以及動作時間上的弊端，在線監測系統使用BURRBROWN 公司的可承受高共模電壓的差分放大器INA148。圖1 為測量單體電池電壓的原理圖。

圖1 測量單體電壓的原理圖

1.2 單體電池溫度測量

內阻的存在使得電池充放電時會出現溫度的變化。我們在對溫度進行測量的時候，主要安裝一個溫度傳感器于其負極柱根部，進而找出溫度異常的電池。研究及試驗表明，無論電池處于何種狀態，溫度最高的即是荷電量最小的電池。

本監測系統使用的溫度傳感器為DALLAS 生產的DS1820，它不僅具有單線接口技術，還具備64 位光刻標識碼，不需要外圍元件，且測溫范圍寬，測溫精度較高，其測溫范圍達到－55℃～+125℃，精度為±0.5℃。

1.3 內阻測量

內阻測量主要有開路電壓法、密度法、交流法、直流放電法等。其中，由于測量精度等方面的原因，密度法和開路電壓法不適合應用于本研究，在此不作討論。直流放電法則是通過瞬時大電流對蓄電池組放電，對電池的瞬時壓降進行測量，并根據歐姆定律進行計算得到單體內阻，已有一定的應用。直流放電測試的優點在于測試速度快，且測試過程不受充電機紋波干擾，但需在蓄電池組脫機或浮充狀態下進行，存在一定的安全隱患，且頻繁的大電流放電可能給蓄電池帶來一定損傷，因此本研究仍考慮采用傳統的交流測試方案。

交流測試法的原理是將向蓄電池組注入一個低頻交流信號，對蓄電池中流過的電流IS 以及兩端的低頻電壓U0 進行測量，并獲取二者的相位差，然后根據相關公式對電池的內阻進行計算。在應用該方法的過程中，無需放電，蓄電池組也無需處于脫機或浮充狀態，整體安全性較高;其次由于注入的電流的頻率比較低，幅值也比較小，不會影響直流系統的性能［3］。同時，這一方案的成本較低，其具有明顯的性價比優勢。圖2 為交流測試法的原理框圖。

圖2 交流測試法原理框圖

1.4 充放電電流測量

本功能單元屬于一個較為簡單的測量環節。監測系統使用霍爾電流傳感器安裝于充電回路獲取電池組充放電電流，將充放電電流轉換為－4～+4 V 直流電壓，并完成A/D 轉換。

2 蓄電池在線監測技術中的重點

蓄電池系統屬于電化學系統，較為復雜，以下對蓄電池在線監測系統的設計與實現過程中的各重點、難點進行簡要分析。

首先是測試過程的穩定性及測試結果的精確度。荷載、溫度以及使用時間的變化都會影響蓄電池可供釋放的剩余容量，此外，高噪聲也會對測量的精度有較大的影響，因此，如何在測量過程中確保測試過程的穩定性，并消除交流系統的噪聲干擾是一個重要的研究課題。

其次是數據處理的快速性。在線監測系統使用何種處理芯片將決定處理速度的快慢。舉例來說，ATMEL 公司的ATmage128 具有較高的性能及較低的功耗，是一個相對理想的選擇。

第三是響應的快速性。該方面的主要難點在于選擇哪種總線接口方式以及通信介質，例如CAN 總線接口方式對很多功能進行了集成，并廢除了站地址編碼，能夠滿足工業上的一般需求。至于通信介質則可以使用光導纖維、同軸電纜或者雙絞線。

3 蓄電池在線監測實現

3.1 系統硬件

在系統硬件方面，主要原理框圖如圖3，主要由MC68332 及外圍電路、聲光報警和報警輸出接點模塊、鍵盤顯示模塊、通信接口模塊、單體電池內阻采集、電壓采集、溫度采集模塊、電池充放電電流采集模塊等構成。其中，單體電池內阻采集、電壓采集、溫度采集模塊在應用過程中能夠依照具體情況對其進行靈活的擴展，這有利于對不同電壓以和不同容量規格的蓄電池進行在線監測。

圖3 蓄電池在線監測系統的硬件框圖

3.2 系統軟件

為了滿足系統設計及工作需求，提升軟件的編程效率和可讀性，本系統選擇模塊化編程。編程過程中使用ANSI C 語言，并先于SDS65 集成環境中進行編譯、編輯和鏈接，然后經過BDM 這一方式進行在線的仿真和調試，對編程效率及調試效率起到極大提升。系統程序包括主程序、單體電池電壓采集、內阻采集、溫度采集程序、時鐘處理程序以及串行口通信服務程序等。主流程見圖4。

圖4 蓄電池在線監測系統主程序流程圖

4 結束語

實現蓄電池組運行狀態的在線監測是確保直流系統可靠、穩定運行的關鍵，有利于消除直流系統的安全隱患，也是當前研究的熱點、難點。本文提出的測試方案得到的測試數據的準確、可靠，同時，在測試過程中，不會對蓄電池本身造成損傷，具有一定的實踐指導意義，但在測試速度以及排除系統干擾方面不及直流瞬時放電測試法，因此，進行對直流系統在線監測技術進一步深入研究，充分比較和認識各種測試方案的特點與優劣，形成更為完善和可靠的測試方案，并加強直流系統運行性能的監測力度和深度。

［1］高鵬，崔君瑩，白瑞雪.閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及其運行維護［J］.電源技術應用.2009 (11):23－25.

［2］史相玲.蓄電池在線監測系統的研究［D］.河北農業大學.2009，12.

［3］熊立峰.蓄電池性能分析與測試方法比較［M］.2009:1－7.