鉛酸蓄電池組在線參數檢測及故障診斷裝置設計

(山東建筑大學信息與電氣工程學院 山東 濟南 250101)

引言

隨著社會的發展，建筑技術水平的不斷提高，城市建筑也趨向于大規模、高層化，對建筑的供電要求也不斷提高。尤其是一些重要的公共建筑，一旦中斷供電，應急處理不及時，很容易造成經濟損失，嚴重的甚至會危及人身安全。然而，電力故障突發性強，斷電在所難免，這就需要在市電供應中斷時，高性能的應急電源在各種場合為設備提供電能。因此，對應急電源的研究有著很重要的意義[1]。

一、影響電池健康狀態的因素

目前蓄電池種類比較多，如：鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、銀鋅蓄電池以及燃料電池等[2]。通常情況下，一般采用免維護密封鉛酸蓄電池，這是因為其采用的是陰極吸收式密封技術，正常情況下無酸霧和氫氣、氧氣排出，無需加水和測量電解液比重，對機房無特殊要求。克服了普通蓄電池需要定期補水的缺點，具有免維護、使用方便、不污染環境、體積小、重量輕的優點，因而被廣泛應用于工農業生產的各個領域中[3]。

但是鉛酸蓄電池在長期的使用中，必然會出現各種老化及劣化等問題，導致電池所能儲存的最大電量開始減少。影響電池健康狀態的因素一般可分為內因和外因。

內部原因主要包括電池制造工藝、正負極材料、電解液成分和電池的自放電效應。

外部原因主要包括電池的過度充電，電池與環境溫度差異，充放電倍率差異以及外界應力，它們都會影響電池的SOH衰減速度[4]。

通過查閱相關文獻，對以上各故障狀態進行分析，發現鉛酸蓄電池的各類故障主要是由充電不足或過充電、放電不足或過放電、溫度過高或過低等原因導致，而這些因素又會影響蓄電池的內阻，容量、端電壓等，因此可以通過對鉛酸蓄電池組的上述參數進行測量，然后再根據各參數間對應曲線，從而設置故障診斷判據。

二、閥控鉛酸蓄電池組各參數檢測

圖1 蓄電池等效電路圖

閥控鉛酸蓄電池主要由極板組、隔板、殼體、聯條、加液孔蓋、電解液組成。其等效電路圖如圖1所示。

該等效電路由一個電動勢E0，歐姆內阻r，電容C0和過壓電阻R0組成。C0代表電極之間的極化電容，R0表示蓄電池內部電極之間的極化內阻，r表示蓄電池的歐姆內阻。而電極極化部分則是既有歐姆內阻又有極化內阻[5]。

歐姆內阻主要等效為極板、電解液、極柱、隔膜、匯流排等部分的電阻之和，遵守歐姆定律。極化內阻則包括濃差極化內阻和電化學極化內阻。

系統的總體結構框圖如圖2所示。

圖2 系統總體結構框圖

(一)鉛酸蓄電池單體電池端電壓電流檢測

端電壓在電池充放電過程中不斷變化，充電過程中數值增大，放電過程中數值減小。不同放電電流下的端電壓隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 不同放電電流下端電壓隨時間變化曲線

因此可以通過檢測串聯蓄電池組單體電池的端電壓[6]，根據荷電狀態與端電壓的對應曲線圖，制定相應的故障診斷判據。端電壓檢測的原理框圖如圖4所示。

圖4 單體電池端電壓檢測原理框圖

此外，電流值的大小可以通過將霍爾電流傳感器串聯到電路中來進行測量。由于串聯鉛酸蓄電池組是由n個單體蓄電池串連成的整體，串聯電流處處相等，所以只需設置一個采集點即可。霍爾電流傳感器將采集到的電流信號轉換為電壓信號，再通過信號調理電路的處理，由AD轉換器將模擬信號轉換為數字信號傳輸到計算機[7]。

(二)溫度

由于鉛酸蓄電池在充放電過程中伴隨著電化學反應，并且電流通過電池時為了克服電池內阻，消耗的電能還會轉變為熱能。因此電池內部會產生熱量，導致電池溫度升高，此外環境溫度的高低也會對蓄電池造成影響[8]。浮充電壓與溫度的關系曲線圖如圖5所示。

因此，可以選擇在電池負極柱根部，安置溫度傳感器[9]，通過測量各單體電池的溫度，根據浮充電壓-溫度曲線(如圖5)，容量-溫度曲線(如圖6)，可以間接地反映電池的浮充電壓、容量，從而判斷電池狀態是否健康。原理框圖如圖7所示。

圖5 浮充電壓與溫度的關系曲線圖

圖6 不同放電率下放電量與溫度的關系曲線圖

圖7 溫度檢測原理框圖圖

(三)內阻檢測

蓄電池的內阻是蓄電池工作時，電流流過蓄電池內部所受的阻力。目前國內外測量蓄電池內阻的常見方法有密度法、開路電壓法、直流放電法和交流伏安法等。放電過程中內阻與時間的關系如圖8所示,放電前中期，即SOC大于50%時，鉛酸蓄電池內阻變化并不明顯，放電后期，SOC小于40%時，內阻變化較大[10]。

圖8 放電過程內阻與時間關系圖

本文采用的是用一個恒流激勵信號激勵鉛酸蓄電池，隨著激勵時間t的增長，電池兩端的電壓也在發生變化：

(10)

此表達式中電壓的變化由兩種電壓疊加而成，前一項電壓發生在極化內阻上，后一項發生在歐姆內阻上。若時間常數τ=R0C0很大，通電時間t又遠小于時間常數，這是電壓變化表達式的前一項為零，電壓變化只表現為歐姆內阻上的壓降，即r=ΔV/I。

改變在蓄電池兩端瞬間的電流大小，在電流從I1到I2變化的瞬間采集到蓄電池兩端的電壓變化U1到U2，代入到上式中，則內阻

(11)

(四)荷電狀態(SOC-State of charge)

蓄電池的荷電狀態SOC(State of Charge)是用來反映蓄電池的剩余容量，具體是指蓄電池在一定放電倍率下，剩余電量與相同條件下額定容量的比值[11]。常用的鉛酸蓄電池荷電狀態檢測方法有開路電壓法、安時積分法、卡爾曼濾波法等。

當鉛酸蓄電池的荷電狀態SOC變化1%，其電動勢E大約有1.5mV的變化。

圖9 荷電狀態與單體鉛酸蓄電池電動勢曲線圖

單體鉛酸蓄電池電動勢E與荷電狀態SOC的關系如圖9所示。

可以采用將電動勢與內阻結合的方法，來對鉛酸蓄電池的荷電狀態進行估算。可以采用如下公式：

S=aE+bR2+cR+d

E=V-I(r+R0)

V是鉛酸蓄電池的端電壓，I是流過鉛酸蓄電池的直流電流，R是蓄電池內阻,R=r+R0，a，b，c，d為常系數。

(五)故障診斷綜合判據

根據GS公司積累的蓄電池相關數據，新電池與壞電池的開路電壓差、內阻與荷電狀態的關系圖如圖10所示。

圖10 開路電壓差、內阻與荷電狀態關系圖

其中開路電壓差是指芯電池開路電壓與當前蓄電池開路電壓之差。

根據上面的曲線圖，以及上文對鉛酸蓄電池各參數的分析與研究，結合GB17945-2010消防應急標準中對作為應急電源的鉛酸蓄電池制定的標準，可以制定以下用于故障診斷的判據：

1.容量判據。當充入電量到達額定容量的105%的時候，根據SOC與端電壓對應曲線，若電池組中某支電池依然能充入電，則啟動故障告警，由工作人員排查故障電池。

2.端電壓判據。通過檢測串聯蓄電池組各單體電池端電壓，當發現電池組中各單體電池端電壓壓差超過0.05V/單體時，啟動故障告警[12]。

當整組電池總電壓與正常值相比相差超過0.5V時，啟動故障告警。

3.內阻判據。各單體電池內阻變大為新電池內阻值的175%時，啟動故障告警。

4.溫度判據。當檢測到電池溫度超過25℃時，啟動故障告警，提醒工作人員檢查空調系統是否開啟。

三、系統軟硬件設計

(一)硬件部分

根據上文對鉛酸蓄電池組溫度、端電壓部分的分析以及檢測原理框圖，本章對其進一步地進行了完善，并設計了具體的電路圖。

測溫電路原理圖如圖11所示。溫度傳感器選用的是DS18B20數字傳感器。

圖11 溫度檢測電路圖

線性光耦抗干擾電路如圖12所示。此外，流經蓄電池的電流值，可通過串聯霍爾電流傳感器CHB-200SF測得。光電繼電器選用TLP521-1。譯碼器選用74HC154，電壓選通電路圖如圖13所示。線性光耦選用HCNR201，運算放大器選用OP37。

圖12 線性光耦抗干擾電路

圖13 電壓選通電路

相比較傳統的機械繼電器，光電繼電器動作速度快，無明顯噪音和開關壽命的限制，不需要驅動電路。

(二)軟件部分

軟件部分主要是為了實現系統初始化、數據采集、數據傳輸、參數計算、故障診斷、故障告警等功能。系統的主要程序流程圖如圖14所示。

圖14 系統主要程序流程圖

四、結論

本文對鉛酸蓄電池的在線參數檢測及故障診斷進行了研究，首先介紹了鉛酸蓄電池的結構及其基本工作原理，然后在Thevenin鉛酸蓄電池等效電路模型的基礎上，提出了鉛酸蓄電池端電壓、電流、溫度、內阻、SOC的檢測方法，并根據各參數之間的曲線關系圖，結合GB17945-2010消防應急標準中對作為應急電源的鉛酸蓄電池制定的標準，提出了鉛酸蓄電池組故障診斷判據。最后在基本原理框圖的基礎上設計了電壓選通電路、抗干擾電路，以及系統主要程序的流程圖。