蓄电池远程管理维护系统研究与设计

王晓舜，邵飞，董利军，杨堃，周怡

（1.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡，214000；2.江苏太湖云计算信息技术股份有限公司，江苏无锡，214000）

0 引言

地铁的稳定运行需要多项设备系统的支撑，每项设备系统都需要UPS电池为其提供稳定可靠的电源输出，同时地铁需要在危险情况下，列车、车站等紧急疏散乘客，需要EPS电池提供稳定可靠的后备电源供应[1]。对使用中的电池维护由于UPS主机只能检测电池组部分数据且并不一定具备数据上传功能，因此各行业对电池的维护仍然以人工现场操作为主（测量指标、充放电、检查外观等），不仅加大了维护成本，还导致数据不准、问题难发现等问题，成为当前电池使用的最大痛点。许多科研机构和企业开始加强电池管理系统的研发和设计，基于信息化手段实现电池运行管理和操作。目前，我国电池管理系统行业发展趋势主要体现在技术、市场和竞争三个方面。在技术上，BMS相关软件算法不断优化，逐步朝着高集成化、高精度估算、智能化的趋势发展[2]；在市场上，BMS需求量将随着电池市场渗透率提升而增大，储能BMS市场需求随着产业发展也有待进一步释放[3]；在竞争上，随着电池管理系统企业数量越来越多以及技术要求的升级，行业企业或面临着新一轮的洗牌[4]。

1 蓄电池远程管理维护系统应用分析

电池管理系统经过多年的研究和应用，开发技术不断地提升，随着我国BMS厂商数量逐步增多，产品类型更加丰富，电池管理系统相关行业标准的不断完善，以及动力电池系统性能逐步升级和储能BMS市场开启发掘，我国电池管理系统未来的发展空间十分广阔。BMS技术将来关键有两个发展前景：一是内阻、SOC更精确，内阻、SOC是关键主要参数指标值。怎样根据收集电池组内各电池的工作电压、蓄电池充电电流量、温度等数据信息，创建更精确预测分析电池内阻大小、SOC的数学分析模型，将是将来电池智能管理系统科学研究的关键发展前景；二是BMS均衡工作能力将进一步提高，BMS关键处理单细胞间的差别。电池危害电池组的高效率和安全系数。因而，怎样赔偿式子电池充电的不一致性，维持电池中间的相对性一致性，将是将来电池智能管理系统发展趋势的另一个方位。它由很多串连的单个电池构成。因为在生产过程中不太可能保证每一块电池都彻底一样，即便是同样型号、同规范规格型号的电池，在工作电压、电阻器、电池容积等物理学主要参数上也会存有一定的差别。这类组合很有可能已经应用中。它会进一步扩张。数次蓄电池充电后，电池会越来越不平衡，比较严重危害电池组的应用高效率和安全系数。因而，怎样赔偿式子电池充电的不一致性，维持电池中间的相对性一致性，也是电池智能管理系统发展趋势的另一个方位。

地铁UPS电池管理系统采用分布式架构，通过开发单体电池参数检测模块、汇集模块、霍尔传感器和主控制器，实现对单体电池电压、温度、内阻、组端电压及电流的检测，并实现对浮充电池进行各参数实时监控。主控制器实现对单体电池检测模块的管理，通过网络将数据传送到监控中心；搭建监控中心，收集来自电池管理系统（BMS）传来的电池参数数据，对电池及其检测数据进行有效的分析和管理，确保电池组安全可靠地运行。具体的，蓄电池远程管理系统主要包括两个关键组成部分，分别是硬件组成部分和软件组成部分。电池组检测维护系统和软件组成，检测维护系统由单体电池检测模块、汇集模块、霍尔传感器和主控制器等构成。

单体电池检测模块是系统的关键，具备单体电压检测、单体温度检测，单体内阻检测，可尽早发现亏损电池，提醒维护或调换，避免电池组故障，延长电池寿命。数据通过通讯总线发送到汇集模块上传至主控制器进行管理。单体采集模块硬件由电压采集电路、内阻采集电路、温度采集电路、电池电源输入、通讯接口及核心微控制器构成，从而实现对单体电池电压、温度和内阻的测量以及对外通讯功能。单体电池检测模块组成如图1所示。

图1 单体电池检测模块

2 蓄电池远程管理维护系统设计

■2.1 系统整体结构设计

单体采集模块程序以初始化硬件和加载用户配置参数开始，ADC硬件单元持续进行采样，循环执行温度与电压的计算，系统整体架构如图2所示。

图2 单体采集模块功能程序

单体采集模块MCU选用的是德州仪器公司的超低功率混合信号微控制器MCU器件。该器件集成了3个独立的24位三角积分A/D转换器、1个16位定时器、1个16位硬件乘法器、USART通信接口、安全装置定时器和11个I/O引脚，如图3所示。

图3 MCU器件电路设计

单体电池检测模块是BMS的关键，实现高精度的电压检测、温度检测，内阻检测，并控制实现对电池的均衡等等。模块具备处理器和相应的硬件电路组成，多个单体电池检测模块、汇集模块与主控制器采用总线的方式连接，实现数据交互，如图4所示。

图4 单体电池检测模块框架

电压检测原理：电阻分压，微控制器ADC实现测量；电池温度测量原理：热敏电阻随温度阻值变化，测其两端电压，根据电压基准值及变化情况确定热敏电阻阻值，进而计算温度；电池内阻测量原理：通过操作大功率电阻获取前后电源电路电压及电流增量，两者之比即为电池内阻。内阻检测通常情况下能准确查出容量偏低或完全失效的电池。根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量降低以后，内阻值会有明显变化，所以，相比于放电试验，通过监测单体电池内阻预测电池故障是十分可靠的方法。单体电池的内阻与其寿命、供电能力有着密切关系，因此可以用来检测电池放电时的供电性能。单体电池的内阻可以作为电池性能好坏的重要指标。大量实验数据表明，如果单体电池的内阻增加超过某个经验数据，该电池的未来寿命将受影响，不能释放出应有的容量，据此可以有效检查出有故障隐患的电池。

■ 2.2 系统业务流程设计

当系统接收到有效的AT指令时，系统将对应执行配置、校准或查询功能，当系统接收到有效的ModBus指令时，系统将执行对应的数据查询。一般任意指令均有返回。值得注意的是，由于内阻测量过程复杂以及消耗电能，因此内阻测量频率应很低，所以内阻测量由主机查询时触发，过程中多次测量取均值，以实现较高精度。

单体电池采集模块程序以初始化硬件和加载用户配置参数开始，ADC硬件单元持续进行采样，循环执行组压、充放电电流、浮充电流和温度的计算。当系统接收到有效的AT指令时，系统将对应执行校准或查询功能，当系统接收到有效的ModBus指令时，系统将执行对应的数据查询。如图5所示。

图5 单体电池采集模块程序

主控制设备程序以初始化系统时钟和初始化系统外设开始，随后初始化内存并加载用户数据，接着进行操作系统的初始化并注册系统任务，最后各项系统任务正常执行。如图6所示。

图6 主控制设备程序

3 蓄电池管理维护系统测试

蓄电池管理维护系统完成之后，本文针对其进行测试。首先，将单体电池监测模块安装在蓄电池表明，使用带贴胶固定，测试结果显示结果如表1所示。

表1 单体电池监测模块测试结果

通过监测分析电池正、负母线上的电流均衡等情况，当发现任何电池任何一级因为电池漏液短路造成电流失衡时，系统会产生告警，并告知用户引发告警的原因，如表2所示。

表2 电流监测模块测试结果

4 结束语

蓄电池远程管理系统采用了先进的分布式系统架构，检测模块直接安装在单体电池上，缩短了连线长度，避免干扰和线阻对精测参数精度的影响，每节电池电能转化为化学能的过程被真实感知，并以电压、内阻、温度等多种参量的曲线形式真实详尽展示电池性能的变化过程，从而实现电池性能的回溯和精准预测，根据采集数据进行加工分析，有效提高维护效率，同时在线判断电池容量可靠性，及时准确发现电池各类隐性故障，智能监测电池组热失控、电池开路等电池安全关键指标，异常时及时预警，提升整组电池的实际使用效率。