蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

胡杰+王凱+王亞剛

摘 要：為提高供電系統(tǒng)的可靠性，越來越多的場合使用蓄電池來提供不間斷的電源供應(yīng)，以蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計及蓄電池組的容量預(yù)測為主要研究內(nèi)容，設(shè)計出一種基于AT89C51處理器的無線監(jiān)測系統(tǒng)，同時介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對單體電池的端電壓、內(nèi)阻、表面溫度等主要參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測，并可對蓄電池組的剩余容量進(jìn)行預(yù)測，從而及時發(fā)現(xiàn)性能下降的單體電池，避免影響蓄電池組中其他單體電池，可以延長蓄電池組的使用壽命，提高系統(tǒng)的可靠性；GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通訊，能快速地打包上傳蓄電池組的運(yùn)行數(shù)據(jù)，以供人們查詢或決策參考。

關(guān)鍵詞：蓄電池組；AT89C51；無線監(jiān)測；剩余容量

DOIDOI：10.11907/rjdk.172872

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0093-03

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，用戶對用電質(zhì)量的要求也越來越高，要求供電設(shè)備能夠提供不間斷供電，即在供電中斷后也能提供電力供應(yīng)給用戶。為防止電力異常導(dǎo)致的服務(wù)中斷，不間斷電源（UPS）應(yīng)運(yùn)而生。閥控式密封鉛酸蓄（VRLA）電池主要應(yīng)用于電力儲能系統(tǒng)中的微電網(wǎng)、不間斷電源系統(tǒng)、電動汽車等領(lǐng)域[1]。VRLA電池采用了陰極吸收技術(shù)，可免除補(bǔ)加水維護(hù)，被稱為“免維護(hù)”電池，卻在很大程度上誤導(dǎo)了用戶的正確使用，需要做一些維護(hù)工作延長VRLA電池的使用壽命。蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，便于用戶通過監(jiān)控中心PC機(jī)或手機(jī)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1 蓄電池監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 單體電池的電壓監(jiān)測

測量電池組中串聯(lián)在一起的單體電池的電壓至關(guān)重要，因?yàn)殡姵卣Ｊ翘幱诟〕錉顟B(tài)，系統(tǒng)只能浮充電壓超?；蛐阅芎艿偷碾姵兀鵁o法監(jiān)測到浮充電壓變化不明顯的電池。

1.2 蓄電池組的容量監(jiān)測

估算蓄電池的剩余容量，即荷電狀態(tài)（State of Charge， SOC），可以減少對蓄電池的損害，延長蓄電池的使用壽命[2]。蓄電池SOC的影響因素主要有：充放電倍率、溫度和循環(huán)使用次數(shù)[3]。蓄電池SOC的估計方法[4]主要如下：電動勢法比較實(shí)用，但其精度依賴于電動勢預(yù)測的模型，需要長時間靜置，不能在線估計。安時積分法[5]最為常用，可以在線測量，只適用于在初始放電狀態(tài)已知的情況下。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[6]通常與模糊控制法相結(jié)合來估算SOC，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法適合處理估算蓄電池SOC這種非線性問題，能實(shí)時在線預(yù)測，但需要全面精確的參考數(shù)據(jù)來訓(xùn)練該模型，所以建立系統(tǒng)模型十分困難。

1.3 蓄電池的內(nèi)阻監(jiān)測

交流注入法測量蓄電池內(nèi)阻時，將一個正弦交流小電流信號注入電池的兩端，測出其兩端電壓，由此計算出蓄電池的內(nèi)阻，此方法不需要放電，不會對蓄電池的性能造成影響[7]。

1.4 溫度監(jiān)測

蓄電池內(nèi)部將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，電池內(nèi)部溫度對其性能影響很大，在充放電過程中，蓄電池內(nèi)部會出現(xiàn)“氧循環(huán)”現(xiàn)象，產(chǎn)生的額外熱量會使蓄電池內(nèi)部溫度上升，封閉性好使得測量蓄電池的內(nèi)部溫度較為困難。所以，一般只監(jiān)測蓄電池的外表面溫度和環(huán)境溫度 [8]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)測量到數(shù)據(jù)，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，監(jiān)控中心通過組態(tài)王架設(shè)，組態(tài)王內(nèi)嵌Web服務(wù)器和高性能數(shù)據(jù)庫，采用B/S架構(gòu)模式，數(shù)據(jù)庫與監(jiān)控中心雙向傳輸，用來存儲和管理數(shù)據(jù)，支持GPRS通訊，方便監(jiān)控用戶隨時隨地通過手機(jī)或在監(jiān)控中心連接Internet訪問Web服務(wù)器，以訪問網(wǎng)頁方式瀏覽、監(jiān)控蓄電池的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過電壓測量電路、溫度傳感器采樣電路和內(nèi)阻測量電路分別采樣蓄電池的端電壓、表面溫度以及內(nèi)阻這3個參數(shù)，蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 電壓測量電路設(shè)計

對蓄電池端電壓的測量需要用到AD轉(zhuǎn)換器，本文選用A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809。因?yàn)樾铍姵囟穗妷悍秶虯DC轉(zhuǎn)換電壓范圍不同，為了將待測電壓信號轉(zhuǎn)換到ADC的量程內(nèi)，采用電阻分壓電路[9]，如圖3所示，選用兩個精密電阻接入到蓄電池兩端，然后從這兩個電阻之間去除分壓后的信號，通過改變這兩個分壓電阻的阻值，就可以測量出蓄電池的端電壓。

在測量蓄電池的端電壓時，為了避免現(xiàn)場的各種干擾信號引入到單片機(jī)控制系統(tǒng)，需要對被測信號與控制系統(tǒng)之間進(jìn)行良好的線性隔離，采用高線性度的模擬光電耦合器件HCNR201[10]隔離模擬信號，穩(wěn)定性好、高帶寬和成本低，光耦隔離電路的輸入信號是經(jīng)過分壓后的端電壓信號，隔離后的信號經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給AT89C51。

3.2 溫度傳感器電路設(shè)計

蓄電池在一定溫度下容量最大化，選用溫度傳感器DS18B20[10]測量蓄電池的表面溫度，DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，簡單、精度高、連接方便、占用口線少。溫度測量范圍為-55～125℃，出廠默認(rèn)設(shè)置為12位分辨率。

3.3 內(nèi)阻測量電路設(shè)計

內(nèi)阻是衡量蓄電池容量的一個重要參數(shù)，內(nèi)阻測量方法主要是直流測量法和交流測量法，直流法存在著要求離線測量、容易損壞電池等不足，不適宜在線測量的需求。選用交流法測量蓄電池內(nèi)阻可以實(shí)時在線測量，不需要離線接負(fù)載放電測量，測量蓄電池內(nèi)阻的原理是將正弦電流或者電壓信號作為激勵加載到蓄電池兩端，通過測量電池的響應(yīng)信號計算內(nèi)阻。

3.4 無線通信電路設(shè)計

GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)用來遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)，可以充分克服布線繁瑣、維護(hù)困難等問題，尤其方便用戶使用手機(jī)或PC機(jī)就可以遠(yuǎn)程監(jiān)控蓄電池的狀態(tài)。選用USR-GM3作為GPRS模塊，通過RS232總線與單片機(jī)AT89C51相連接，可實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)傳輸。endprint

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

蓄電池狀態(tài)采集包括采集電壓、溫度和內(nèi)阻的狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。GPRS數(shù)據(jù)傳輸是接收監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)并發(fā)送給監(jiān)控中心，另外，監(jiān)控人員需要維護(hù)電池時，GPRS接收監(jiān)控中心傳來的指令并發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。

4.1 蓄電池參數(shù)采集軟件設(shè)計

蓄電池組長時間處于浮充狀態(tài)，內(nèi)阻變化很緩慢，因此不宜頻繁對內(nèi)阻采集監(jiān)測，由上位機(jī)發(fā)送指令給終端節(jié)點(diǎn)，采集單元才開始工作。當(dāng)上位機(jī)接收到傳過來的內(nèi)阻值，就可以得到相應(yīng)蓄電池的容量值。蓄電池參數(shù)采集軟件流程如圖4所示[11]。

4.2 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送與接收軟件設(shè)計

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，GPRS模塊選用USR-GM3，采用HTTPD Client模式將數(shù)據(jù)傳送給HTTP服務(wù)器端，或者從HTTP服務(wù)器端獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以Http方式發(fā)送給Web服務(wù)器。GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無線網(wǎng)絡(luò)中，再通過Internet傳送給監(jiān)控中心，用戶通過在監(jiān)測軟件的用戶界面上觀察采集到的數(shù)據(jù)，并可以發(fā)送指令給GPRS模塊，對蓄電池采取維護(hù)措施。如圖5所示，首先GPRS接收測量到的蓄電池端電壓、溫度、內(nèi)阻參數(shù)數(shù)據(jù)，并發(fā)送數(shù)據(jù)的返回狀態(tài)，而后GPRS把采集到的數(shù)據(jù)一起打包傳送給監(jiān)控中心。

5 結(jié)語

該系統(tǒng)主要采集蓄電池電壓、溫度、內(nèi)阻的參數(shù)值，實(shí)時在線預(yù)估蓄電池的剩余容量，通過GPRS無線通信方式將蓄電池的運(yùn)行狀態(tài)傳送至監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測和控制維護(hù)，簡單易行。本文設(shè)計的蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)對于蓄電池出租公司監(jiān)測，方對蓄電池使用有一定的實(shí)際意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙雪娟.VRLA蓄電池SOC估算策略的研究[D].寧夏：寧夏大學(xué)，2016.

[2] 魏東濤，黃之杰，孔華，等.蓄電池SOC的研究及預(yù)測方法[J].電源科技，2016，40（6）：1321-1323.

[3] 馮真得.變電站用VRLA蓄電池SOC及SOH估計算法研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2016.

[4] 黃世回.VRLA閥控鉛酸電池SOC估算研究[D].柳州：廣西科技大學(xué)，2013.

[5] 李鵬.應(yīng)急電源蓄電池容量預(yù)測與在線監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)[D].杭州：中國計量學(xué)院，2014.

[6] 賀雷華.蓄電池充放電的監(jiān)測和控制系統(tǒng)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2013.

[7] 黃先莉.蓄電池組無線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析和智能化故障檢測研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2014.

[8] 史相玲.蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D].保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009.

[9] 陳渡.蓄電池?zé)o線監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].江門：五邑大學(xué)，2012.

[10] 唐承佩，唐賢達(dá)，黃美嫻，等.用于通信基站的蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的研制[J].電信科學(xué)，2007（1）：21-22.

[11] 王振耀.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].成都：西南交通大學(xué)，2016.endprint