蓄電池遠程管理維護系統研究與設計

王曉舜，邵飛，董利軍，楊堃，周怡

（1.無錫地鐵集團有限公司，江蘇無錫，214000；2.江蘇太湖云計算信息技術股份有限公司，江蘇無錫，214000）

0 引言

地鐵的穩定運行需要多項設備系統的支撐，每項設備系統都需要UPS電池為其提供穩定可靠的電源輸出，同時地鐵需要在危險情況下，列車、車站等緊急疏散乘客，需要EPS電池提供穩定可靠的后備電源供應[1]。對使用中的電池維護由于UPS主機只能檢測電池組部分數據且并不一定具備數據上傳功能，因此各行業對電池的維護仍然以人工現場操作為主（測量指標、充放電、檢查外觀等），不僅加大了維護成本，還導致數據不準、問題難發現等問題，成為當前電池使用的最大痛點。許多科研機構和企業開始加強電池管理系統的研發和設計，基于信息化手段實現電池運行管理和操作。目前，我國電池管理系統行業發展趨勢主要體現在技術、市場和競爭三個方面。在技術上，BMS相關軟件算法不斷優化，逐步朝著高集成化、高精度估算、智能化的趨勢發展[2]；在市場上，BMS需求量將隨著電池市場滲透率提升而增大，儲能BMS市場需求隨著產業發展也有待進一步釋放[3]；在競爭上，隨著電池管理系統企業數量越來越多以及技術要求的升級，行業企業或面臨著新一輪的洗牌[4]。

1 蓄電池遠程管理維護系統應用分析

電池管理系統經過多年的研究和應用，開發技術不斷地提升，隨著我國BMS廠商數量逐步增多，產品類型更加豐富，電池管理系統相關行業標準的不斷完善，以及動力電池系統性能逐步升級和儲能BMS市場開啟發掘，我國電池管理系統未來的發展空間十分廣闊。BMS技術將來關鍵有兩個發展前景：一是內阻、SOC更精確，內阻、SOC是關鍵主要參數指標值。怎樣根據收集電池組內各電池的工作電壓、蓄電池充電電流量、溫度等數據信息，創建更精確預測分析電池內阻大小、SOC的數學分析模型，將是將來電池智能管理系統科學研究的關鍵發展前景；二是BMS均衡工作能力將進一步提高，BMS關鍵處理單細胞間的差別。電池危害電池組的高效率和安全系數。因而，怎樣賠償式子電池充電的不一致性，維持電池中間的相對性一致性，將是將來電池智能管理系統發展趨勢的另一個方位。它由很多串連的單個電池構成。因為在生產過程中不太可能保證每一塊電池都徹底一樣，即便是同樣型號、同規范規格型號的電池，在工作電壓、電阻器、電池容積等物理學主要參數上也會存有一定的差別。這類組合很有可能已經應用中。它會進一步擴張。數次蓄電池充電后，電池會越來越不平衡，比較嚴重危害電池組的應用高效率和安全系數。因而，怎樣賠償式子電池充電的不一致性，維持電池中間的相對性一致性，也是電池智能管理系統發展趨勢的另一個方位。

地鐵UPS電池管理系統采用分布式架構，通過開發單體電池參數檢測模塊、匯集模塊、霍爾傳感器和主控制器，實現對單體電池電壓、溫度、內阻、組端電壓及電流的檢測，并實現對浮充電池進行各參數實時監控。主控制器實現對單體電池檢測模塊的管理，通過網絡將數據傳送到監控中心；搭建監控中心，收集來自電池管理系統（BMS）傳來的電池參數數據，對電池及其檢測數據進行有效的分析和管理，確保電池組安全可靠地運行。具體的，蓄電池遠程管理系統主要包括兩個關鍵組成部分，分別是硬件組成部分和軟件組成部分。電池組檢測維護系統和軟件組成，檢測維護系統由單體電池檢測模塊、匯集模塊、霍爾傳感器和主控制器等構成。

單體電池檢測模塊是系統的關鍵，具備單體電壓檢測、單體溫度檢測，單體內阻檢測，可盡早發現虧損電池，提醒維護或調換，避免電池組故障，延長電池壽命。數據通過通訊總線發送到匯集模塊上傳至主控制器進行管理。單體采集模塊硬件由電壓采集電路、內阻采集電路、溫度采集電路、電池電源輸入、通訊接口及核心微控制器構成，從而實現對單體電池電壓、溫度和內阻的測量以及對外通訊功能。單體電池檢測模塊組成如圖1所示。

圖1 單體電池檢測模塊

2 蓄電池遠程管理維護系統設計

■2.1 系統整體結構設計

單體采集模塊程序以初始化硬件和加載用戶配置參數開始，ADC硬件單元持續進行采樣，循環執行溫度與電壓的計算，系統整體架構如圖2所示。

圖2 單體采集模塊功能程序

單體采集模塊MCU選用的是德州儀器公司的超低功率混合信號微控制器MCU器件。該器件集成了3個獨立的24位三角積分A/D轉換器、1個16位定時器、1個16位硬件乘法器、USART通信接口、安全裝置定時器和11個I/O引腳，如圖3所示。

圖3 MCU器件電路設計

單體電池檢測模塊是BMS的關鍵，實現高精度的電壓檢測、溫度檢測，內阻檢測，并控制實現對電池的均衡等等。模塊具備處理器和相應的硬件電路組成，多個單體電池檢測模塊、匯集模塊與主控制器采用總線的方式連接，實現數據交互，如圖4所示。

圖4 單體電池檢測模塊框架

電壓檢測原理：電阻分壓，微控制器ADC實現測量；電池溫度測量原理：熱敏電阻隨溫度阻值變化，測其兩端電壓，根據電壓基準值及變化情況確定熱敏電阻阻值，進而計算溫度；電池內阻測量原理：通過操作大功率電阻獲取前后電源電路電壓及電流增量，兩者之比即為電池內阻。內阻檢測通常情況下能準確查出容量偏低或完全失效的電池。根據大量的實驗分析及研究結果證明，電池的容量降低以后，內阻值會有明顯變化，所以，相比于放電試驗，通過監測單體電池內阻預測電池故障是十分可靠的方法。單體電池的內阻與其壽命、供電能力有著密切關系，因此可以用來檢測電池放電時的供電性能。單體電池的內阻可以作為電池性能好壞的重要指標。大量實驗數據表明，如果單體電池的內阻增加超過某個經驗數據，該電池的未來壽命將受影響，不能釋放出應有的容量，據此可以有效檢查出有故障隱患的電池。

■ 2.2 系統業務流程設計

當系統接收到有效的AT指令時，系統將對應執行配置、校準或查詢功能，當系統接收到有效的ModBus指令時，系統將執行對應的數據查詢。一般任意指令均有返回。值得注意的是，由于內阻測量過程復雜以及消耗電能，因此內阻測量頻率應很低，所以內阻測量由主機查詢時觸發，過程中多次測量取均值，以實現較高精度。

單體電池采集模塊程序以初始化硬件和加載用戶配置參數開始，ADC硬件單元持續進行采樣，循環執行組壓、充放電電流、浮充電流和溫度的計算。當系統接收到有效的AT指令時，系統將對應執行校準或查詢功能，當系統接收到有效的ModBus指令時，系統將執行對應的數據查詢。如圖5所示。

圖5 單體電池采集模塊程序

主控制設備程序以初始化系統時鐘和初始化系統外設開始，隨后初始化內存并加載用戶數據，接著進行操作系統的初始化并注冊系統任務，最后各項系統任務正常執行。如圖6所示。

圖6 主控制設備程序

3 蓄電池管理維護系統測試

蓄電池管理維護系統完成之后，本文針對其進行測試。首先，將單體電池監測模塊安裝在蓄電池表明，使用帶貼膠固定，測試結果顯示結果如表1所示。

表1 單體電池監測模塊測試結果

通過監測分析電池正、負母線上的電流均衡等情況，當發現任何電池任何一級因為電池漏液短路造成電流失衡時，系統會產生告警，并告知用戶引發告警的原因，如表2所示。

表2 電流監測模塊測試結果

4 結束語

蓄電池遠程管理系統采用了先進的分布式系統架構，檢測模塊直接安裝在單體電池上，縮短了連線長度，避免干擾和線阻對精測參數精度的影響，每節電池電能轉化為化學能的過程被真實感知，并以電壓、內阻、溫度等多種參量的曲線形式真實詳盡展示電池性能的變化過程，從而實現電池性能的回溯和精準預測，根據采集數據進行加工分析，有效提高維護效率，同時在線判斷電池容量可靠性，及時準確發現電池各類隱性故障，智能監測電池組熱失控、電池開路等電池安全關鍵指標，異常時及時預警，提升整組電池的實際使用效率。