通信電源監控系統中蓄電池監控模塊的設計

摘要：通信電源集中監控系統作為通信電源運行維護的重要支撐手段，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。文章對本地用通信電源監控系統中蓄電池監控模塊的設計進(jìn)行了深入研究，包括蓄電池剩余容量檢測、蓄電池單體電壓、單體溫度測試等，并提出了相應改進(jìn)方案。最后通過(guò)實(shí)驗檢測結果證明了該設計方案的可行性。

1 引言

在本地用通信電源監控系統中，蓄電池監控模塊是一個(gè)相對獨立的單元，擁有自己的處理器單元和數據采集單元。因此，它既能作為本地用通信電源監控系統的一部分使用，同時(shí)加以簡(jiǎn)單擴展就可以成為單獨使用的蓄電池在線(xiàn)檢測儀。本文詳細介紹了一套具有兩級集散式系統結構的本地用通信電源集中監控系統中蓄電池監控模塊的設計。

2 蓄電池監控單元的整體實(shí)現方案

蓄電池監控一直是國內外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，在本系統中，蓄電池監控單元主要完成以下幾方面的功能：剩余容量的在線(xiàn)檢測、均/浮充方式轉換、單體端電壓測試及落后電池檢出、電池體溫度測試等等。其總體實(shí)現如圖1所示。

圖1 蓄電池監控單元的整體硬件結構

處理器模塊是蓄電池監控單元的核心，在這里我們采用了ATMEL公司最新的RISC高性能單片機AT90S8515及大容量8KB的FLASHROM,不但保證了對大量數據進(jìn)行高速分析處理，而且實(shí)現了對數據的保存查詢(xún)。

在數據采集模塊中，由于蓄電池監控單元中需要處理的數據對精度均有特殊的要求，(比如對蓄電池內阻的測量通常為mΩ級，且必須有足夠的位數)，同時(shí)由于蓄電池內阻、電壓均為緩慢變化的低時(shí)變信號，因此我們采用了16位的Σ-Δ型A/D轉換器AD7715,它具有自動(dòng)校零、量程自動(dòng)校準的功能，從而可以保證很高的測量精度，而且具有SPI接口，可以方便的與單片機接口。

蓄電池監控單元中設有RS485的通信接口，與前端機主處理器之間以通信的形勢交換數據。因此在本系統中蓄電池監控模塊實(shí)際是作為一個(gè)智能設備與主監控模塊聯(lián)系的。下面分別對內阻檢測模塊、單體電壓測試模塊、單體溫度測試模塊進(jìn)行詳細的介紹。由于電流測試模塊與主處理單元的直流數據采集與處理類(lèi)似，在此不再贅述。

3 蓄電池剩余容量的在線(xiàn)檢測

蓄電池的剩余容量是用戶(hù)最為關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，它與整個(gè)供電系統的可靠性密切相關(guān)，蓄電池剩余電量越高，則系統可靠性越高，否則反之。因此如何能夠在既不消耗蓄電池能量又不影響用電設備的正常工作的情況下，實(shí)時(shí)的在線(xiàn)監測蓄電池的剩余電量，將有重要的實(shí)際意義。

蓄電池是個(gè)復雜的電化學(xué)系統，它在不同負載條件下運行時(shí)，蓄電池實(shí)際可供釋放的電量也不同。隨著(zhù)蓄電池使用時(shí)間的增加，其實(shí)際可釋放的電量也將下降。過(guò)去，常依據蓄電池的端電壓來(lái)判斷蓄電池的好壞和其剩余電量的多少，但該方法有很大的局限性。隨著(zhù)電池老化，其端電壓變化不明顯。因此，利用端電壓的變化來(lái)推算其剩余電量有一定困難，誤差較大。

3.1 幾種常用的剩余電量預測方法

目前預測蓄電池剩余電量的方案最有代表性的有如下幾種：

(1)密度法：蓄電池剩余電量和其內部電解液密度密切相關(guān)，電解液密度由硫酸鉛、氧化鉛和鉛三者決定。通過(guò)測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。但在電池使用后期，隨著(zhù)正負極板的腐蝕、斷筋，上述三種物質(zhì)的比例跟電池制造時(shí)的配制比例發(fā)生較大差異，從而導致用密度值推算剩余電量不再準確。同時(shí)由于目前的通信電源系統中大多采用的是閥控式鉛酸蓄電池，這一方法難以應用。

(2)開(kāi)路電壓法：上面已提到，蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關(guān)，而N.RST方程描述了電解液與電池電動(dòng)勢的關(guān)系。因此，通過(guò)測量蓄電池的開(kāi)路電壓，就可以推算出蓄電池的剩余電量。其缺點(diǎn)在于隨著(zhù)電池老化、剩余電量下降時(shí)，開(kāi)路電壓變化不明顯，因此也就無(wú)法準確預測剩余電量。另外開(kāi)路電壓是電池無(wú)載時(shí)的穩態(tài)電壓，因此只能在電池靜置時(shí)方可測量，不適合實(shí)時(shí)在線(xiàn)測量。

(3)定時(shí)放電法：通過(guò)對蓄電池施加一負載，計算單位時(shí)間內的電池端電壓變化率，根據變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著(zhù)剩余電量大，否則反之。為了實(shí)現在線(xiàn)測量，縮短測量時(shí)間，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會(huì )產(chǎn)生嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命。

(4)內阻法：研究表明，電池的內阻與荷電程度之間有較高的相關(guān)性，美國GNB公司曾對容量由200~1000安。時(shí)，電池組電壓由18~360V的近五百個(gè)VRLA電池進(jìn)行了測試，實(shí)驗結果表明，內阻與電池容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數可以達到88%.因此，通過(guò)測量電池內阻可較準確地預測其剩余電量。蓄電池完全充電(充滿(mǎn))和完全放電(放完)時(shí)，其內阻相差2~4倍左右。隨著(zhù)電池充電過(guò)程的進(jìn)行，內阻逐步減小;隨著(zhù)放電過(guò)程的進(jìn)行，內阻逐步增大。另外，隨著(zhù)電池老化，其內阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。蓄電池內阻與剩余電量的關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 蓄電池內阻與剩余電量的關(guān)系曲線(xiàn)

由于蓄電池完全充電和完全放電時(shí)內阻變化率比電池端電壓變化率(端電壓變化率約為30%~40%)要大得多，故用測量蓄電池內阻來(lái)預測其剩余電量，要比開(kāi)路電壓法精確得多。內阻法的優(yōu)點(diǎn)在于對在線(xiàn)使用的蓄電池來(lái)說(shuō)，此方法對系統影響最小，并可在電池的整個(gè)使用期內精確測量。

通過(guò)以上幾種測量方法的介紹及比較，不難看出內阻法最適合于密封蓄電池剩余電量的在線(xiàn)測量，因此，本系統采用了內阻法測量剩余容量。

3.2 內阻法預測剩余電量的實(shí)施方案

內阻法預測剩余電量的具體實(shí)施方法是：首先將蓄電池充滿(mǎn)電(以2V蓄電池為例，充電至2.35V,浮沖電流至10mA)，然后以0.1C的放電率對電池放電，記錄下放電過(guò)程中內阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢后(2V蓄電池放電至1.75V)即可獲得完整的放電曲線(xiàn)，即剩余電量與蓄電池內阻之間的關(guān)系。將此曲線(xiàn)存入EPROM中，在以后測試同型號同規格的電池時(shí)，單片機根據在線(xiàn)測到的電池內阻值，通過(guò)查表計算，得出其剩余電量值。因此，此種方法的關(guān)鍵在于如何在線(xiàn)測得蓄電池的內阻，其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is,然后檢測電池端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角θ。顯然三者之間的關(guān)系為

以及

R即為我們所要獲取的電池內阻值。其具體實(shí)現方案如圖3所示：

圖3內阻法預測剩余電量的實(shí)現