蓄电池性能在线监测技术研究

苏砚魁

(云南电网公司保山供电局，云南 保山 S 678000)

0 前言

在电力系统中，综合自动化装置、继电保护装置、照明系统等均由直流系统供电。因此，直流系统的稳定、可靠对系统的安全运行有着及其重要的作用。蓄电池组在直流电源中充当了后备电源的角色。在正常工作状态下，充电机对蓄电池充电;当系统中的交流电源失电时，蓄电池立即带负荷运行。为确保直流系统的可靠性和稳定性，必须实现对蓄电池性能的全面、准确地在线监测。

1 蓄电池在线监测原理

通常，对直流系统蓄电池性能的在线监测是通过对单体电池端电压的测量及核对性放电来实现。这种测试方法主要是在蓄电池浮充状态下完成，无法反映出蓄电池的真实性能状况，其主要原因是在浮充时，蓄电池性能即使比较差，所测得的端电压也可能是合格的，但其本身的剩余容量无法满足在交流系统停电时的性能需求，极易导致事故范围扩大［1］。

根据IEEE1188－1996 技术标准，蓄电池容量与电池内阻有着很大的相关性。一般情况下，电池容量和内阻成反比，要想对容量进行准确的评估，就需要对蓄电池内阻进行精确的测试。一套较完善的蓄电池在线监测系统应具备蓄电池组单体电池电压、内阻、充放电电流以及温度的测量功能［1－2］。同时，在线监测系统还应能够将蓄电池组的测试信息通过网络传送到监控中心，实现远程监控和信息管理。

1.1 单体电池电压测量

对于容量较大的直流操作电源系统，蓄电池多使用108 节，单体额定电压为2V 的电池串联获取。其中，单体电池的两端共模电压比较高，往往会超出模拟开关共模电压输入范围，为了消除这一影响，可以通过轮流切换电磁继电器来测量单体电池电压。考虑到电磁继电器寿命以及动作时间上的弊端，在线监测系统使用BURRBROWN 公司的可承受高共模电压的差分放大器INA148。图1 为测量单体电池电压的原理图。

图1 测量单体电压的原理图

1.2 单体电池温度测量

内阻的存在使得电池充放电时会出现温度的变化。我们在对温度进行测量的时候，主要安装一个温度传感器于其负极柱根部，进而找出温度异常的电池。研究及试验表明，无论电池处于何种状态，温度最高的即是荷电量最小的电池。

本监测系统使用的温度传感器为DALLAS 生产的DS1820，它不仅具有单线接口技术，还具备64 位光刻标识码，不需要外围元件，且测温范围宽，测温精度较高，其测温范围达到－55℃～+125℃，精度为±0.5℃。

1.3 内阻测量

内阻测量主要有开路电压法、密度法、交流法、直流放电法等。其中，由于测量精度等方面的原因，密度法和开路电压法不适合应用于本研究，在此不作讨论。直流放电法则是通过瞬时大电流对蓄电池组放电，对电池的瞬时压降进行测量，并根据欧姆定律进行计算得到单体内阻，已有一定的应用。直流放电测试的优点在于测试速度快，且测试过程不受充电机纹波干扰，但需在蓄电池组脱机或浮充状态下进行，存在一定的安全隐患，且频繁的大电流放电可能给蓄电池带来一定损伤，因此本研究仍考虑采用传统的交流测试方案。

交流测试法的原理是将向蓄电池组注入一个低频交流信号，对蓄电池中流过的电流IS 以及两端的低频电压U0 进行测量，并获取二者的相位差，然后根据相关公式对电池的内阻进行计算。在应用该方法的过程中，无需放电，蓄电池组也无需处于脱机或浮充状态，整体安全性较高;其次由于注入的电流的频率比较低，幅值也比较小，不会影响直流系统的性能［3］。同时，这一方案的成本较低，其具有明显的性价比优势。图2 为交流测试法的原理框图。

图2 交流测试法原理框图

1.4 充放电电流测量

本功能单元属于一个较为简单的测量环节。监测系统使用霍尔电流传感器安装于充电回路获取电池组充放电电流，将充放电电流转换为－4～+4 V 直流电压，并完成A/D 转换。

2 蓄电池在线监测技术中的重点

蓄电池系统属于电化学系统，较为复杂，以下对蓄电池在线监测系统的设计与实现过程中的各重点、难点进行简要分析。

首先是测试过程的稳定性及测试结果的精确度。荷载、温度以及使用时间的变化都会影响蓄电池可供释放的剩余容量，此外，高噪声也会对测量的精度有较大的影响，因此，如何在测量过程中确保测试过程的稳定性，并消除交流系统的噪声干扰是一个重要的研究课题。

其次是数据处理的快速性。在线监测系统使用何种处理芯片将决定处理速度的快慢。举例来说，ATMEL 公司的ATmage128 具有较高的性能及较低的功耗，是一个相对理想的选择。

第三是响应的快速性。该方面的主要难点在于选择哪种总线接口方式以及通信介质，例如CAN 总线接口方式对很多功能进行了集成，并废除了站地址编码，能够满足工业上的一般需求。至于通信介质则可以使用光导纤维、同轴电缆或者双绞线。

3 蓄电池在线监测实现

3.1 系统硬件

在系统硬件方面，主要原理框图如图3，主要由MC68332 及外围电路、声光报警和报警输出接点模块、键盘显示模块、通信接口模块、单体电池内阻采集、电压采集、温度采集模块、电池充放电电流采集模块等构成。其中，单体电池内阻采集、电压采集、温度采集模块在应用过程中能够依照具体情况对其进行灵活的扩展，这有利于对不同电压以和不同容量规格的蓄电池进行在线监测。

图3 蓄电池在线监测系统的硬件框图

3.2 系统软件

为了满足系统设计及工作需求，提升软件的编程效率和可读性，本系统选择模块化编程。编程过程中使用ANSI C 语言，并先于SDS65 集成环境中进行编译、编辑和链接，然后经过BDM 这一方式进行在线的仿真和调试，对编程效率及调试效率起到极大提升。系统程序包括主程序、单体电池电压采集、内阻采集、温度采集程序、时钟处理程序以及串行口通信服务程序等。主流程见图4。

图4 蓄电池在线监测系统主程序流程图

4 结束语

实现蓄电池组运行状态的在线监测是确保直流系统可靠、稳定运行的关键，有利于消除直流系统的安全隐患，也是当前研究的热点、难点。本文提出的测试方案得到的测试数据的准确、可靠，同时，在测试过程中，不会对蓄电池本身造成损伤，具有一定的实践指导意义，但在测试速度以及排除系统干扰方面不及直流瞬时放电测试法，因此，进行对直流系统在线监测技术进一步深入研究，充分比较和认识各种测试方案的特点与优劣，形成更为完善和可靠的测试方案，并加强直流系统运行性能的监测力度和深度。

［1］高鹏，崔君莹，白瑞雪.阀控密封式铅酸蓄电池的原理及其运行维护［J］.电源技术应用.2009 (11):23－25.

［2］史相玲.蓄电池在线监测系统的研究［D］.河北农业大学.2009，12.

［3］熊立峰.蓄电池性能分析与测试方法比较［M］.2009:1－7.