蓄電池遠(yuǎn)程管理維護(hù)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王曉舜，邵飛，董利軍，楊堃，周怡

（1.無錫地鐵集團(tuán)有限公司，江蘇無錫，214000；2.江蘇太湖云計(jì)算信息技術(shù)股份有限公司，江蘇無錫，214000）

0 引言

地鐵的穩(wěn)定運(yùn)行需要多項(xiàng)設(shè)備系統(tǒng)的支撐，每項(xiàng)設(shè)備系統(tǒng)都需要UPS電池為其提供穩(wěn)定可靠的電源輸出，同時(shí)地鐵需要在危險(xiǎn)情況下，列車、車站等緊急疏散乘客，需要EPS電池提供穩(wěn)定可靠的后備電源供應(yīng)[1]。對(duì)使用中的電池維護(hù)由于UPS主機(jī)只能檢測(cè)電池組部分?jǐn)?shù)據(jù)且并不一定具備數(shù)據(jù)上傳功能，因此各行業(yè)對(duì)電池的維護(hù)仍然以人工現(xiàn)場(chǎng)操作為主（測(cè)量指標(biāo)、充放電、檢查外觀等），不僅加大了維護(hù)成本，還導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、問題難發(fā)現(xiàn)等問題，成為當(dāng)前電池使用的最大痛點(diǎn)。許多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始加強(qiáng)電池管理系統(tǒng)的研發(fā)和設(shè)計(jì)，基于信息化手段實(shí)現(xiàn)電池運(yùn)行管理和操作。目前，我國電池管理系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在技術(shù)、市場(chǎng)和競(jìng)爭(zhēng)三個(gè)方面。在技術(shù)上，BMS相關(guān)軟件算法不斷優(yōu)化，逐步朝著高集成化、高精度估算、智能化的趨勢(shì)發(fā)展[2]；在市場(chǎng)上，BMS需求量將隨著電池市場(chǎng)滲透率提升而增大，儲(chǔ)能BMS市場(chǎng)需求隨著產(chǎn)業(yè)發(fā)展也有待進(jìn)一步釋放[3]；在競(jìng)爭(zhēng)上，隨著電池管理系統(tǒng)企業(yè)數(shù)量越來越多以及技術(shù)要求的升級(jí)，行業(yè)企業(yè)或面臨著新一輪的洗牌[4]。

1 蓄電池遠(yuǎn)程管理維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用分析

電池管理系統(tǒng)經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用，開發(fā)技術(shù)不斷地提升，隨著我國BMS廠商數(shù)量逐步增多，產(chǎn)品類型更加豐富，電池管理系統(tǒng)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善，以及動(dòng)力電池系統(tǒng)性能逐步升級(jí)和儲(chǔ)能BMS市場(chǎng)開啟發(fā)掘，我國電池管理系統(tǒng)未來的發(fā)展空間十分廣闊。BMS技術(shù)將來關(guān)鍵有兩個(gè)發(fā)展前景：一是內(nèi)阻、SOC更精確，內(nèi)阻、SOC是關(guān)鍵主要參數(shù)指標(biāo)值。怎樣根據(jù)收集電池組內(nèi)各電池的工作電壓、蓄電池充電電流量、溫度等數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建更精確預(yù)測(cè)分析電池內(nèi)阻大小、SOC的數(shù)學(xué)分析模型，將是將來電池智能管理系統(tǒng)科學(xué)研究的關(guān)鍵發(fā)展前景；二是BMS均衡工作能力將進(jìn)一步提高，BMS關(guān)鍵處理單細(xì)胞間的差別。電池危害電池組的高效率和安全系數(shù)。因而，怎樣賠償式子電池充電的不一致性，維持電池中間的相對(duì)性一致性，將是將來電池智能管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的另一個(gè)方位。它由很多串連的單個(gè)電池構(gòu)成。因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中不太可能保證每一塊電池都徹底一樣，即便是同樣型號(hào)、同規(guī)范規(guī)格型號(hào)的電池，在工作電壓、電阻器、電池容積等物理學(xué)主要參數(shù)上也會(huì)存有一定的差別。這類組合很有可能已經(jīng)應(yīng)用中。它會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)張。數(shù)次蓄電池充電后，電池會(huì)越來越不平衡，比較嚴(yán)重危害電池組的應(yīng)用高效率和安全系數(shù)。因而，怎樣賠償式子電池充電的不一致性，維持電池中間的相對(duì)性一致性，也是電池智能管理系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)的另一個(gè)方位。

地鐵UPS電池管理系統(tǒng)采用分布式架構(gòu)，通過開發(fā)單體電池參數(shù)檢測(cè)模塊、匯集模塊、霍爾傳感器和主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池電壓、溫度、內(nèi)阻、組端電壓及電流的檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)浮充電池進(jìn)行各參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。主控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池檢測(cè)模塊的管理，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心；搭建監(jiān)控中心，收集來自電池管理系統(tǒng)（BMS）傳來的電池參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)電池及其檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和管理，確保電池組安全可靠地運(yùn)行。具體的，蓄電池遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)主要包括兩個(gè)關(guān)鍵組成部分，分別是硬件組成部分和軟件組成部分。電池組檢測(cè)維護(hù)系統(tǒng)和軟件組成，檢測(cè)維護(hù)系統(tǒng)由單體電池檢測(cè)模塊、匯集模塊、霍爾傳感器和主控制器等構(gòu)成。

單體電池檢測(cè)模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵，具備單體電壓檢測(cè)、單體溫度檢測(cè)，單體內(nèi)阻檢測(cè)，可盡早發(fā)現(xiàn)虧損電池，提醒維護(hù)或調(diào)換，避免電池組故障，延長(zhǎng)電池壽命。數(shù)據(jù)通過通訊總線發(fā)送到匯集模塊上傳至主控制器進(jìn)行管理。單體采集模塊硬件由電壓采集電路、內(nèi)阻采集電路、溫度采集電路、電池電源輸入、通訊接口及核心微控制器構(gòu)成，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池電壓、溫度和內(nèi)阻的測(cè)量以及對(duì)外通訊功能。單體電池檢測(cè)模塊組成如圖1所示。

圖1 單體電池檢測(cè)模塊

2 蓄電池遠(yuǎn)程管理維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

單體采集模塊程序以初始化硬件和加載用戶配置參數(shù)開始，ADC硬件單元持續(xù)進(jìn)行采樣，循環(huán)執(zhí)行溫度與電壓的計(jì)算，系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 單體采集模塊功能程序

單體采集模塊MCU選用的是德州儀器公司的超低功率混合信號(hào)微控制器MCU器件。該器件集成了3個(gè)獨(dú)立的24位三角積分A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16位定時(shí)器、1個(gè)16位硬件乘法器、USART通信接口、安全裝置定時(shí)器和11個(gè)I/O引腳，如圖3所示。

圖3 MCU器件電路設(shè)計(jì)

單體電池檢測(cè)模塊是BMS的關(guān)鍵，實(shí)現(xiàn)高精度的電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)，內(nèi)阻檢測(cè)，并控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的均衡等等。模塊具備處理器和相應(yīng)的硬件電路組成，多個(gè)單體電池檢測(cè)模塊、匯集模塊與主控制器采用總線的方式連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，如圖4所示。

圖4 單體電池檢測(cè)模塊框架

電壓檢測(cè)原理：電阻分壓，微控制器ADC實(shí)現(xiàn)測(cè)量；電池溫度測(cè)量原理：熱敏電阻隨溫度阻值變化，測(cè)其兩端電壓，根據(jù)電壓基準(zhǔn)值及變化情況確定熱敏電阻阻值，進(jìn)而計(jì)算溫度；電池內(nèi)阻測(cè)量原理：通過操作大功率電阻獲取前后電源電路電壓及電流增量，兩者之比即為電池內(nèi)阻。內(nèi)阻檢測(cè)通常情況下能準(zhǔn)確查出容量偏低或完全失效的電池。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)分析及研究結(jié)果證明，電池的容量降低以后，內(nèi)阻值會(huì)有明顯變化，所以，相比于放電試驗(yàn)，通過監(jiān)測(cè)單體電池內(nèi)阻預(yù)測(cè)電池故障是十分可靠的方法。單體電池的內(nèi)阻與其壽命、供電能力有著密切關(guān)系，因此可以用來檢測(cè)電池放電時(shí)的供電性能。單體電池的內(nèi)阻可以作為電池性能好壞的重要指標(biāo)。大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，如果單體電池的內(nèi)阻增加超過某個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該電池的未來壽命將受影響，不能釋放出應(yīng)有的容量，據(jù)此可以有效檢查出有故障隱患的電池。

■ 2.2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)接收到有效的AT指令時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)執(zhí)行配置、校準(zhǔn)或查詢功能，當(dāng)系統(tǒng)接收到有效的ModBus指令時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢。一般任意指令均有返回。值得注意的是，由于內(nèi)阻測(cè)量過程復(fù)雜以及消耗電能，因此內(nèi)阻測(cè)量頻率應(yīng)很低，所以內(nèi)阻測(cè)量由主機(jī)查詢時(shí)觸發(fā)，過程中多次測(cè)量取均值，以實(shí)現(xiàn)較高精度。

單體電池采集模塊程序以初始化硬件和加載用戶配置參數(shù)開始，ADC硬件單元持續(xù)進(jìn)行采樣，循環(huán)執(zhí)行組壓、充放電電流、浮充電流和溫度的計(jì)算。當(dāng)系統(tǒng)接收到有效的AT指令時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)執(zhí)行校準(zhǔn)或查詢功能，當(dāng)系統(tǒng)接收到有效的ModBus指令時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)查詢。如圖5所示。

圖5 單體電池采集模塊程序

主控制設(shè)備程序以初始化系統(tǒng)時(shí)鐘和初始化系統(tǒng)外設(shè)開始，隨后初始化內(nèi)存并加載用戶數(shù)據(jù)，接著進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化并注冊(cè)系統(tǒng)任務(wù)，最后各項(xiàng)系統(tǒng)任務(wù)正常執(zhí)行。如圖6所示。

圖6 主控制設(shè)備程序

3 蓄電池管理維護(hù)系統(tǒng)測(cè)試

蓄電池管理維護(hù)系統(tǒng)完成之后，本文針對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。首先，將單體電池監(jiān)測(cè)模塊安裝在蓄電池表明，使用帶貼膠固定，測(cè)試結(jié)果顯示結(jié)果如表1所示。

表1 單體電池監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試結(jié)果

通過監(jiān)測(cè)分析電池正、負(fù)母線上的電流均衡等情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)任何電池任何一級(jí)因?yàn)殡姵芈┮憾搪吩斐呻娏魇Ш鈺r(shí)，系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生告警，并告知用戶引發(fā)告警的原因，如表2所示。

表2 電流監(jiān)測(cè)模塊測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

蓄電池遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)采用了先進(jìn)的分布式系統(tǒng)架構(gòu)，檢測(cè)模塊直接安裝在單體電池上，縮短了連線長(zhǎng)度，避免干擾和線阻對(duì)精測(cè)參數(shù)精度的影響，每節(jié)電池電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程被真實(shí)感知，并以電壓、內(nèi)阻、溫度等多種參量的曲線形式真實(shí)詳盡展示電池性能的變化過程，從而實(shí)現(xiàn)電池性能的回溯和精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，根據(jù)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，有效提高維護(hù)效率，同時(shí)在線判斷電池容量可靠性，及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)電池各類隱性故障，智能監(jiān)測(cè)電池組熱失控、電池開路等電池安全關(guān)鍵指標(biāo)，異常時(shí)及時(shí)預(yù)警，提升整組電池的實(shí)際使用效率。