蓄電池性能在線監(jiān)測技術研究

蘇硯魁

(云南電網公司保山供電局，云南 保山 S 678000)

0 前言

在電力系統(tǒng)中，綜合自動化裝置、繼電保護裝置、照明系統(tǒng)等均由直流系統(tǒng)供電。因此，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠對系統(tǒng)的安全運行有著及其重要的作用。蓄電池組在直流電源中充當了后備電源的角色。在正常工作狀態(tài)下，充電機對蓄電池充電;當系統(tǒng)中的交流電源失電時，蓄電池立即帶負荷運行。為確保直流系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，必須實現(xiàn)對蓄電池性能的全面、準確地在線監(jiān)測。

1 蓄電池在線監(jiān)測原理

通常，對直流系統(tǒng)蓄電池性能的在線監(jiān)測是通過對單體電池端電壓的測量及核對性放電來實現(xiàn)。這種測試方法主要是在蓄電池浮充狀態(tài)下完成，無法反映出蓄電池的真實性能狀況，其主要原因是在浮充時，蓄電池性能即使比較差，所測得的端電壓也可能是合格的，但其本身的剩余容量無法滿足在交流系統(tǒng)停電時的性能需求，極易導致事故范圍擴大［1］。

根據(jù)IEEE1188－1996 技術標準，蓄電池容量與電池內阻有著很大的相關性。一般情況下，電池容量和內阻成反比，要想對容量進行準確的評估，就需要對蓄電池內阻進行精確的測試。一套較完善的蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)應具備蓄電池組單體電池電壓、內阻、充放電電流以及溫度的測量功能［1－2］。同時，在線監(jiān)測系統(tǒng)還應能夠將蓄電池組的測試信息通過網絡傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和信息管理。

1.1 單體電池電壓測量

對于容量較大的直流操作電源系統(tǒng)，蓄電池多使用108 節(jié)，單體額定電壓為2V 的電池串聯(lián)獲取。其中，單體電池的兩端共模電壓比較高，往往會超出模擬開關共模電壓輸入范圍，為了消除這一影響，可以通過輪流切換電磁繼電器來測量單體電池電壓。考慮到電磁繼電器壽命以及動作時間上的弊端，在線監(jiān)測系統(tǒng)使用BURRBROWN 公司的可承受高共模電壓的差分放大器INA148。圖1 為測量單體電池電壓的原理圖。

圖1 測量單體電壓的原理圖

1.2 單體電池溫度測量

內阻的存在使得電池充放電時會出現(xiàn)溫度的變化。我們在對溫度進行測量的時候，主要安裝一個溫度傳感器于其負極柱根部，進而找出溫度異常的電池。研究及試驗表明，無論電池處于何種狀態(tài)，溫度最高的即是荷電量最小的電池。

本監(jiān)測系統(tǒng)使用的溫度傳感器為DALLAS 生產的DS1820，它不僅具有單線接口技術，還具備64 位光刻標識碼，不需要外圍元件，且測溫范圍寬，測溫精度較高，其測溫范圍達到－55℃～+125℃，精度為±0.5℃。

1.3 內阻測量

內阻測量主要有開路電壓法、密度法、交流法、直流放電法等。其中，由于測量精度等方面的原因，密度法和開路電壓法不適合應用于本研究，在此不作討論。直流放電法則是通過瞬時大電流對蓄電池組放電，對電池的瞬時壓降進行測量，并根據(jù)歐姆定律進行計算得到單體內阻，已有一定的應用。直流放電測試的優(yōu)點在于測試速度快，且測試過程不受充電機紋波干擾，但需在蓄電池組脫機或浮充狀態(tài)下進行，存在一定的安全隱患，且頻繁的大電流放電可能給蓄電池帶來一定損傷，因此本研究仍考慮采用傳統(tǒng)的交流測試方案。

交流測試法的原理是將向蓄電池組注入一個低頻交流信號，對蓄電池中流過的電流IS 以及兩端的低頻電壓U0 進行測量，并獲取二者的相位差，然后根據(jù)相關公式對電池的內阻進行計算。在應用該方法的過程中，無需放電，蓄電池組也無需處于脫機或浮充狀態(tài)，整體安全性較高;其次由于注入的電流的頻率比較低，幅值也比較小，不會影響直流系統(tǒng)的性能［3］。同時，這一方案的成本較低，其具有明顯的性價比優(yōu)勢。圖2 為交流測試法的原理框圖。

圖2 交流測試法原理框圖

1.4 充放電電流測量

本功能單元屬于一個較為簡單的測量環(huán)節(jié)。監(jiān)測系統(tǒng)使用霍爾電流傳感器安裝于充電回路獲取電池組充放電電流，將充放電電流轉換為－4～+4 V 直流電壓，并完成A/D 轉換。

2 蓄電池在線監(jiān)測技術中的重點

蓄電池系統(tǒng)屬于電化學系統(tǒng)，較為復雜，以下對蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)過程中的各重點、難點進行簡要分析。

首先是測試過程的穩(wěn)定性及測試結果的精確度。荷載、溫度以及使用時間的變化都會影響蓄電池可供釋放的剩余容量，此外，高噪聲也會對測量的精度有較大的影響，因此，如何在測量過程中確保測試過程的穩(wěn)定性，并消除交流系統(tǒng)的噪聲干擾是一個重要的研究課題。

其次是數(shù)據(jù)處理的快速性。在線監(jiān)測系統(tǒng)使用何種處理芯片將決定處理速度的快慢。舉例來說，ATMEL 公司的ATmage128 具有較高的性能及較低的功耗，是一個相對理想的選擇。

第三是響應的快速性。該方面的主要難點在于選擇哪種總線接口方式以及通信介質，例如CAN 總線接口方式對很多功能進行了集成，并廢除了站地址編碼，能夠滿足工業(yè)上的一般需求。至于通信介質則可以使用光導纖維、同軸電纜或者雙絞線。

3 蓄電池在線監(jiān)測實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件

在系統(tǒng)硬件方面，主要原理框圖如圖3，主要由MC68332 及外圍電路、聲光報警和報警輸出接點模塊、鍵盤顯示模塊、通信接口模塊、單體電池內阻采集、電壓采集、溫度采集模塊、電池充放電電流采集模塊等構成。其中，單體電池內阻采集、電壓采集、溫度采集模塊在應用過程中能夠依照具體情況對其進行靈活的擴展，這有利于對不同電壓以和不同容量規(guī)格的蓄電池進行在線監(jiān)測。

圖3 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件框圖

3.2 系統(tǒng)軟件

為了滿足系統(tǒng)設計及工作需求，提升軟件的編程效率和可讀性，本系統(tǒng)選擇模塊化編程。編程過程中使用ANSI C 語言，并先于SDS65 集成環(huán)境中進行編譯、編輯和鏈接，然后經過BDM 這一方式進行在線的仿真和調試，對編程效率及調試效率起到極大提升。系統(tǒng)程序包括主程序、單體電池電壓采集、內阻采集、溫度采集程序、時鐘處理程序以及串行口通信服務程序等。主流程見圖4。

圖4 蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)主程序流程圖

4 結束語

實現(xiàn)蓄電池組運行狀態(tài)的在線監(jiān)測是確保直流系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行的關鍵，有利于消除直流系統(tǒng)的安全隱患，也是當前研究的熱點、難點。本文提出的測試方案得到的測試數(shù)據(jù)的準確、可靠，同時，在測試過程中，不會對蓄電池本身造成損傷，具有一定的實踐指導意義，但在測試速度以及排除系統(tǒng)干擾方面不及直流瞬時放電測試法，因此，進行對直流系統(tǒng)在線監(jiān)測技術進一步深入研究，充分比較和認識各種測試方案的特點與優(yōu)劣，形成更為完善和可靠的測試方案，并加強直流系統(tǒng)運行性能的監(jiān)測力度和深度。

［1］高鵬，崔君瑩，白瑞雪.閥控密封式鉛酸蓄電池的原理及其運行維護［J］.電源技術應用.2009 (11):23－25.

［2］史相玲.蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究［D］.河北農業(yè)大學.2009，12.

［3］熊立峰.蓄電池性能分析與測試方法比較［M］.2009:1－7.