蓄電池組充放電智能監測與均衡技術研究

摘要：蓄電池組為機房通信設備提供緊急電力支持，確保通信鏈路不間斷運行。然而，蓄電池組實際投入頻次較低，維護人員在巡檢過程中對其關注度欠缺，導致存在潛在的運行風險。引入智能化監測與均衡技術對蓄電池組運行狀態進行監測并預判其趨勢，幫助運維人員及時識別潛在的問題。探討了蓄電池智能監測、蓄電池均衡技術的含義與實現過程，為相關研究人員提供啟示與借鑒，推動蓄電池組監測智能化進程。

關鍵詞：蓄電池組"""均衡技術"""智能化"""技術融合

Research"on"Intelligent"Monitoring"and"Balancing"System"for"Charging"and"Discharging"Battery"Pack

ZHOU"Tao""FENG"Ping""TANG"Junde""ZHANG"Junhua

CRSC"Communicationamp;"Information"Group"Company"Ltd，"Chengdu，"Sichuan"Province，"610032"China

Abstract：The"battery"pack"provides"emergency"power"support"for"the"communication"equipment"in"the"computer"room，"ensuring"uninterrupted"operation"of"the"communication"link."However，"the"actual"frequency"of"battery"pack"deployment"is"relatively"low，"and"maintenance"personnel"lack"attention"to"it"during"inspections，"resulting"in"potential"operational"risks."Intelligent"monitoring"and"balancing"technology"was"introduced"to"monitor"the"operating"status"of"battery"packs"and"predict"their"trends，"helping"operation"and"maintenance"personnel"identify"potential"problems"in"a"timely"manner."This"article"explored"the"meaning"and"implementation"process"of"intelligent"monitoring"and"balancing"technology"for"batteries，"providing"inspiration"and"reference"for"relevant"researchers，"and"promoting"the"intelligent"process"of"battery"pack"monitoring.

Key"Words："Battery"pack;"Balanced"technology;"Intelligence;"Combinatorial"technology

為了對鐵路通信機房蓄電池組進行更精準的監測，結合其運行的歷史數據信息，采用人工智能算法來訓練符合變化趨勢的數據模型，并對未來一段時間內的運行狀態進行預測。因此，將智能監測技術、均衡技術相融合應用到蓄電池組充放電系統的智能化監測中。在鐵路通信機房蓄電池組維護過程中起著重要的作用。

1"電池智能監測

1.1"定義

蓄電池的智能監測主要體現在兩個方面：一是數據分析與預測；二是智能化決策與自動化控制。

1.1.1"數據分析與預測

實時獲取蓄電池的電壓、電流、溫度等關鍵參數，對產生的海量歷史數據進行分析和處理，通過機器學習等訓練符合運行的數據模型，預測其變化趨勢。運維人員可以按照變化趨勢優化蓄電池組的使用計劃和維護策略，從而延長使用壽命[1]。

1.1.2"智能化決策與自動化控制

根據實時數據和預測結果，自動調整蓄電池的充放電策略、溫度控制等參數，以優化蓄電池的性能和安全性；同時，還能夠根據用戶的需求和偏好，提供個性化的管理方案和建議，使蓄電池的使用更加符合實際需求和場景。

1.2"實現方法

蓄電池智能監測的實現步驟主要包括數據采集、數據分析與處理、集中管理與智能化處理等[2]，具體步驟如下。

1.2.1數據采集

利用傳感器等設備，實時采集蓄電池的關鍵性能指標數據，如電壓、電流、溫度等。然后通過無線傳感器網絡傳輸到監控中心，進一步進行數據的分析和管理。其實現方式有以下幾種。

（1）傳感器選擇與配置。選擇合適的傳感器來采集蓄電池的各項性能指標。這些傳感器通常包括電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器等。

（2）數據采集電路設計。數據采集電路是連接傳感器和數據處理單元的橋梁。設計合理的數據采集電路可以確保傳感器輸出的信號準確、穩定地傳輸到數據處理單元。

（3）實時數據采集與傳輸。數據采集系統需要實現實時采集功能，以便及時反映蓄電池的當前狀態。一般通過定時器或中斷觸發的方式實現，確保數據采集的實時性。

（4）數據預處理與存儲。數據采集后，需要進行一定的預處理操作，如數據濾波、平滑處理等。預處理后的數據可以存儲在本地存儲器中，以便后續分析和處理[3]。

1.2.2數據分析與處理

該過程主要涉及數據采集整合、數據預處理、特征提取與選擇、數據分析與建模等。隨著技術的不斷發展，數據分析與處理在蓄電池智能管理中的應用得到不斷深化。利用大數據和云計算技術實現海量數據的實時處理和分析，提高監測系統的響應速度和準確性。

1.2.3集中管理與智能化處理

蓄電池智能管理主要是由集中管理與智能化處理2個環節的融合，不僅提高了蓄電池管理的效率，還增強了管理的準確性和可靠性[4]。

（1）集中管理。該模式集中處理所有電池數據于單一平臺，確保數據完整性與一致性，便于全局監控分析，實時匯總各電池狀態、運行信息與歷史記錄，形成綜合數據庫。

（2）智能化處理。運用機器學習，基于歷史數據分析預測蓄電池組性能趨勢，及時識別異常與潛在故障，通過模型預測電池壽命和容量變化，為決策者提供數據支持。

2"蓄電池均衡技術

1.3"2.1"蓄電池均衡技術的定義

蓄電池均衡技術是指在蓄電池組充電或放電過程中對電池組中的單體電池進行監測和控制，通過特定的均衡電路或算法，將電量較高的單體電池中的能量轉移到電量較低的單體電池中，使各單體電池的電量趨于一致，避免因單體電池之間電量差異過大而導致的電池組性能下降或失效[5]。

1.4"蓄電池均衡技術的實現方法

蓄電池均衡技術的實現主要有均衡充電和容量配組、蓄電池均衡器、并聯均衡電路法、蓄電池在線均衡器4種方式。

2.2.1均衡充電和容量配組

通過精確的容量測試進行容量配組，確保電池組中的每個單體電池具有相近的容量。均衡充電和容量配組對保證蓄電池組的性能和使用壽命至關重要。

2.2.2蓄電池均衡器"

蓄電池均衡器的工作原理是在電池充電過程中通過減小高能量單體電池的充電電流來提高整個電池組的充電容量。在放電時，均衡器通過對各個電池電壓的檢測，發現壓差后進行電流電量的轉移，盡量達到各電池電壓趨同的目的，控制電池過放電，從而延長電池的使用壽命和提高性能[6]。

2.2.3并聯均衡電路法

并聯均衡電路法的核心思想是在電池組的各單體電池上附加一個并聯均衡電路，以達到分流的作用，從而確保電池組中每個單體電池的充放電狀態更加均衡。

2.2.4蓄電池在線均衡系統

系統是一種先進的均衡技術實現方法，主要用于確保機房蓄電池組中每個單體電池的工作狀態均衡，提高電池組的使用效率。其主要優勢包括：（1）實時監測蓄電池組中每個單體電池中反映電池工作狀態和健康程度關鍵參數如電壓、電流和溫度等；（2）通過先進的算法和邏輯控制，對監測到的數據進行分析和處理，識別出蓄電池組中工作狀態較差的電池；（3）根據分析結果，自動調整充電策略，對性能較差的電池進行優先充電或補充充電，以提高其電壓和容量，同時系統還會對充電過程進行精細控制，防止電池過充或過放，確保電池的安全運行；（4）具備強大的通信和遠程管理功能，用戶通過網絡連接可以實時查看蓄電池組的工作狀態和均衡效果，對系統進行遠程監控和管理[7]。

3"蓄電池智能管理與均衡技術應用

蓄電池智能監測管理與均衡技術主要是由蓄電池的在線監測、蓄電池均衡、蓄電池高精度電池容量"（System"on"Chip，SOC）與健康度（State"Of"Health，SOH）估算、蓄電池安全防護等。其關鍵技術主要有蓄電池監測技術、蓄電池均衡技術、SOC、SOH、蓄電池安全監測與防護技術等。

2.1"3.1蓄電池監測技術

通過16位并行A/D轉換技術，對蓄電池單體電壓進行測量，無須開關或繼電器切換，實現了高速與高穩定采集，精度可以高達0.1%。

蓄電池組總電壓檢測設計采用單壓疊加方式，同時預留A/D采樣端口。采用小電流循環激勵技術檢測單體電池內阻，使電池產生一個小于5"A的負載電流，通過測量負載接通時的瞬間壓降和斷開負載時的瞬間電壓恢復，計算該蓄電池的內阻。利用A/D"轉換器在直流測量中可以濾除交流紋波干擾的特性，實現在高噪聲環境下蓄電池內阻的精準測量。

2.2"蓄電池均衡技術

蓄電池均衡技術分為均衡拓撲和均衡控制策略。Buck-Boost作為DC/DC變換器的一類，其主要具有結構簡單、均衡速度快等優勢。該拓撲能夠有效實現電池組內能量的流動與轉移，以提高電池組的一致性。Buck-Boost"均衡拓撲的典型結構如圖2所示。

蓄電池均衡策略調整和優化主要體現在均衡周期和時段的優化、均衡算法的改進或優化、應用智能控制技術實現均衡策略的自適應調整和優化。同時，還必須對所選的均衡方法進行系統性評估，評估內容主要包括均衡效率、耗能評估、均衡速度、可靠性評估等指標，以提高均衡控制器的可靠性，減少故障發生的概率。

2.3"電池容量與電池健康度估算

對于閥控式鉛酸蓄電池，用戶一般希望通過蓄電池監測設備來直接測量蓄電池的容量狀態（tate"of"Charge，SOC）和健康狀態（state"of"health，SOH）。常見的數據分析模型主要有安時積分法，根據測得的蓄電池放電曲線、內阻、抬升曲線來估算容量。當實際負載或外接參考負載對蓄電池組進行放電時，設備自動記錄放電數據，對數據進行分析后修正估算容量。

安時積分法算法步驟如下：

（1）初始化："獲取電池SOC。

（2）電量計算："通過對電流與時間積分，累計充放電電量，據此更新剩余電量，再除以額定容量，得到最新的SOC值。

安時積分受電池溫度、充放電電流強度及頻次等因素干擾大，需要借助大數據分析修正這些參數，并加入電量補償機制，以增強算法精確性。

2.4"蓄電池安全監測與防護技術

該技術主要研究的是針對蓄電池使用過程中可能出現的安全問題，包括充放電導致的熱失控，電壓、電流過高或過低導致蓄電池故障和損壞。針對以上可能出現的安全問題，采用熱失控智能預警、過充過放短路漏電保護、開路故障預警等技術。

3.4.1"熱失控智能預警

熱失控是鉛酸蓄電池在充電時，電流和溫度均升高且互相促進的現象。通過同步采集蓄電池的電壓、電流、溫度、壓力數據，有效追蹤浮充電流曲線。結合電池內部溫度和環境溫度進行智能運算，提前預測熱失控問題，實現蓄電池的熱失控趨勢智能分析，及時發出預警，防止電池進入熱失控狀態，有效保護電池組。智能熱失控預警原理圖如圖3所示。

3.4.2"過充過放短路漏電保護

該技術能夠為蓄電池組提供過充保護、過放保護、短路保護、漏電保護。在充電電路中添加過充保護模塊，達到設定的最高電壓時自動停止充電。在放電電路中添加過放保護模塊，確保在電池電量低于設定值自動停止使用。為了避免因短路而導致過大電流流入電池，加速電池損壞，甚至可能引起火災，在電池管理系統中添加短路保護電路，在檢測到短路時自動切斷電流。為了避免漏電導致電池出現高壓，可以在電池管理系統中添加漏電保護，在檢測到漏電時自動切斷電源。

3.4.3開路故障預警

采用電池放電在線錄波技術，記錄電池放電過程中的電壓、電流、時間等信息，結合浮充電壓、離線電壓、內阻變化趨勢、放電曲線等關鍵指標，智能分析電池開路狀態，篩查隱性開路電池，保障蓄電池組有效備電。

4結論

本文深入探討了鐵路通信機房中蓄電池組充放電智能監測與均衡術，詳細探討了蓄電池智能管理技術、蓄電池均衡技術的定義與實現方式，以及二者結合使用對鐵路通信機房蓄電池組監測帶來的優勢。該技術通過蓄電池狀態預測電池組未來某段時間的運行狀態。提高機房維護人員的反應速度，使機房維護人員能夠識別潛在故障風險，提前介入，避免突發故障導致的通信中斷。

參考文獻

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