（精密仪器及机械专业论文）蓄电池在线监测系统的研究与设计.pdf

摘要 蓄电池作为电力系统和通信系统中的直流系统向外供电的唯一设备，其性能 的好坏直接关系到电力系统和通信系统的安全可靠性。但是由于使用不当或者不 能及时维护，经常会导致蓄电池组中个别蓄电池的早期失效，会严重影响整个电 池组的放电容量，严重者会导致整个供电系统的崩溃。因此必须对蓄电池组的运 行状态进行实对在线监测。两目前国内厂家生产的蓄电池状态监测仪器仅仅可以 实现对蓄电池的浮充状态进行在线监测，不能对蓄电池充、放电的动态过程中的 性能状态实时在线监测诊断，无法及时发现存在故障的失效电池。本课题在研究 了蓄电池组运行状态监测的有关技术的基础上，利用最新的微处理器技术，结合 现代电路设计方法，开发了种性价比高、功能更加完善的新型蓄电池在线监测 仪器。 本论文首先介绍了对蓄电池监测维护的方法及其现状，然后结合对蓄电池 充、放电的化学机理和蓄电池组均匀性的分析，深入探讨了对蓄电池实施在线监 测的新方法。然后以此理论为指导，本论文着重分析了蓄电池在线智能监测装置 的硬件电路设计，并对器件选择和参数确定作了具体说明，同时对整个系统的软 件设计作了详细分析说明。对数字滤波技术在本系统软件设计中的综合应用进行 了具体阐述，最后根据蓄电池的实际现场应用方案，自行设计了一个模拟蓄电池 实际运行状态的验证实验，对实验数据作了综合性分析，结果表明各项性能指标 达到了最初的设计要求。 本论文工作的突出之处：在系统硬件设计方面采用了一种新的测量蓄电池组 中单体电池电压的采样电路和最新的微处理器技术：在系统功能方面，不仅实现 了对蓄电池浮充状态的实时在线监测，而且通过采用蓄电池组的均匀性判断标准 实现了对蓄电池充、放电的动态过程中的性能状态实时在线监测诊断，还可以通 过定期短时间放电的方法实现对蓄电池性能的快速判断，及时发现浮充状态时监 测状况正常但实际已经存在故障的落后电池，极大的提高了对蓄电池监测的准确 性、自动化和智能化程度。这一研究设计的成功，对保证电力系统安全可靠运行， 提高蓄电池的使用寿命和效率，改善蓄电池维护工作具有积极的促进作用。 关键词：蓄电泡。实肘在线监测，蓄龟池组均匀性，数字滤波技术 a b s t r a c t t h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i c a l p o w e ra n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s d i r e c t l yi n f l u e n c e db yt h ep e r f o r m a n c eo fb a t t e r i e s ，t h eo n l yp o w e rs o u r c eo fi t sd c s y s t e m f o rb e i n g u s e di m p r o p e r l yo rn o tm a i n t a i n e di nt i m e ，t h ei n d i v i d u a lb a t t e r yo f b a t t e r i e sm a yb e c o m ei n v a l i d e d a sa r e s u l t ，t h ed i s c h a r g i n gc a p a b i l i t yo f t h eb a t t e r i e s w i l ld e c r e a s e ，a n de v e nw o r s em a k et h ee l e c t r i c a l s y s t e mc o r r u p t t h e r e f o r e ，t h e b a t t e r i e sm u s tb em o n i t o r e do n - f i n e l ya n dr e a l - t i m e l y n o ws o m ef a c t o r i e sh a v e p r o d u c e dt h em o t o r i n gi n s t n m a e n t sf o rt l l eb a t t e r i e s b u tt h e ya r eo n l ya v a i l a b l ew h e n t h eb a t t e r i e sa r eo nf l o a t i n gc h a r g i n gs t a t u s ，a n dw i l lb eu n a b l et ow o r kw h e nt h e b a t t e r yi so n t h ec o u r s eo f c h a r g i n go rd i s c h a r g i n g s ot h eb a db a t t e r i e sc o u l d n tb e f o u n di nt i m e o nt h eb a s i so fd i s c u s s i o no ft h em o n i t o r i n gt e c h n i q u e so fb a t t e r y o p e r a t i n gs t a t e ，an e wo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rb a t t e r yi sd e s i g n e dw i t ht h e n e w l ym i c r o p r o c e s s o r a n d d e s i g n i n gm e t h o d so f m o d e m c i r c u i t f i r s t l y , t h em e t h o d sa n da c t u a l i t i e so fb a t t e r ym a i n t e n a n c ea r ei n t r o d u c e d ，a n d t h en e wm o n i t o r i n gw a yi sd e e p l yd i s c u s s e do nt h eb a s i so f t h e o r yo fc h a r g i n ga n d d i s c h a r g i n g s e c o n d l y , t h ee m # a s i s i sp l a c e do nt h eh a r d w a r ea n ds o r w a r e d e s i g n i n g o ft h em o n i t o r i n gi n s t r u m e n ti n c l u d e sp a r t ss e l e c t i n g ，p a r a m e t e rs e t t i n ga n ds o f t w a r e d e s i g n i n g f l o we t c m e a n w h i l e ，t h e i n t e g r a t e d a p p l i c a t i o n o f d i g i t a lf i l t e r i n g t e c h n i q u e si se x p l a i n e d f i n a l l y , as i m u l a t i n ge x p e r i m e n ti sd e s i g n e dt ov e i l f yi ft h e p e r f o r m a n c eo f t h ei n s t r u m e n tm e e t st h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t sb ya n a l y z i n gt h e e x p e r i m e n td a t a t h eo u t s t a n d i n go ft h i s s t u d yi s ：f o rs y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，an e wv o l t a g e m e a s u r i n gc i r c u i t ，w h i c hi su s e dt om e a s u r et h ev o l t a g eo f t h ei n d i v i d u a lb a t t e r yo f b a t t e r i e s ，i sd e s i g n e da n d t h en e w m i c r o p r o c e s s o r i su s e d ；f o rt h ef u n c t i o n so ft h en e w i n s t r u m e n t ，i ti su s e dt om o n i t o rt h eb a t t e r yo n l i n e l ya n dr e a l t i m e l yn o to n l yw h e n t h eb a t t e r yi so nf l o a t i n gc h a r g i n gb u ta l s oo nt h ec o u r s eo fc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n g w i t ht h en e w j u d g i n gc r i t e r i o no fb a t t e r yp e r f o r m a n c e e v e nm o r e ，t h eb a t t e r y , w h i c h i s g o o di nf l o a t i n gc h a r g i n ga n da c t u a l l ym a y b eb a d ，c o u l db ef o u n dq u i c k l yb y d i s c h a r g i n gf o ras h o r tt i m ep e r i o d i c a l l y t h ep r e c i s i o n ，a u t o m a t i o na n di n t e l l i g e n c e o ft h em o n i t o r i n gs y s t e mf o rb a t t e r yi si m p r o v e dg r e a t l y t h es u c c e s so ft h en e w i n s t r u m e n ti ss i g n j f i c a n tf o rt h es e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l ys y s t e m ，a n d t h el i f ea n d a p p l i c a t i o ne f f i c i e n c yo f b a t t e r y c o u l db ee n h a n c e dd i s t i n c t l y k e yw o r d s ：b a t t e r y ；o n - l i n ea n dr e a l t i m em o n i t o r i n g ，t h eu n i f o r m i t y o fb a t t e r i e s ， d i g i t a lf i l t e r i n gt e c h n i q u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：瘩棚铺签字日期：研年。五月1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盔盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孝删媚导师签名 签字日期：如坪年见月肜1 3 签字日期： 搬 汐啦月 钐日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 铅酸蓄电池( l e a d - - a c i db a t t e r y , l a b ) 作为一种化学电源，自1 8 6 0 年普兰 特( p l a n t e ) 首次实现了实用的蓄电池以来，尤其是近年来随着阀控式铅酸蓄电 池( v a l v er e g u l a t e dl a b ，v r l a b ) 的出现，蓄电池( 1 以其价格低廉、易于浮充 使用、电能效率高、电源独立性好、可移动等优点被广泛应用于汽车、船舶、变 电站、发电厂、邮电通讯系统、铁路客车等各个领域例i ”。而蓄电池组作为一 种后备电源，已经成为电力系统和通信系统中的直流系统的一个重要组成部分。 现在随着国民经济的迅速发展，电力系统和通信系统发挥着越来越重要的作 用，由蓄电池组、充电浮充电装置以及馈电支路开关和熔断器等组成的直流系统 是发电厂、变电站和通信基站中的一个重要组成部分，其工作状况的好坏直接影 响到电力系统和通信系统的安全、可靠和高效运行。而蓄电池组作为直流系统向 外供电的唯一设备，为电力系统和通信系统中的信号装置、继电保护装置和控制 装置等重要负载提供工作电源，其性能的好坏直接关系到电力系统和通信系统的 安全可靠性。因此为了确保用电设各即使在交流电源全部中断的情况下也能正常 安全连续运行，必须保证蓄电池组的运行状态性能良好，在发生火电中断时能够 有足够的放电容量，所以重视和加强对蓄电池的维护工作，特别是对蓄电池实施 实时在线监测意义重大l q 。 1 2 蓄电池监测现状 由于蓄电池是一个复杂的电化学系统，其容量、失效模式及老化程度等性能 状态受蓄电池正极板栅的腐蚀，负极板的硫酸化、电池自放电和热失控、电解液 干涸等各种因素的影响，因此要做到对蓄电池性能状态的准确监测比较困难。目 前对蓄电池的维护，除了进行一些日常的维护工作，如保持蓄电池清洁、检查接 触装置和导线连接是否可靠、定期进行充放电实验等之外，还要使用各种检测仪 器。离线或实时在线将蓄电池的运行状态和容量信息检测出来，以便及时发现存 在故障的落后电池，提高蓄电池的使用效率。目前人们已经根据对蓄电池的化学 ( 1 ) 如果没有特别说明本论文中所指的蓄电池都是铅酸蓄电池。 第一章绪论 ( 2 ) v f 转换法在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在 模拟信号的转换上采用可编程定时器的v f 转换器。其中，在解决输入信号电 压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点，且采用v f 转换作为a d 转换器其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。 ( 3 ) 光电隔离器件和大电解电容器法在线测量单体电池电压用光电隔 离器件和大电解电容器构成采样保持电路来测量蓄电池组中单体电池电压。在a d 转换过程中，电容上的电压能发生变化使其精度趋低，而且电容充放电时 间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定其采样时间长。 ( 4 ) 浮动地法国内研制并投产的z x j 2 4 2 一l 型蓄电池组智能监测仪， 采用浮动地技术实现测量蓄电池组中各单体电池电压，测量结果比较准确，但也 存在模拟开关切换以及各器件的不一致性问题对浮动地的电位的影响，从而使测 量结果偏差加大 3 q 。 综上所述，使用密度法、安时计、电导法虽然能够定量测量蓄电池的容量信 息，但是蓄电池的容量受各种因素的影响，因而只能实现对容量的定量估算，不 能准确获得蓄电池的当前容量。目前国内厂家生产的蓄电池状态监测仪器对蓄电 池组中单体电池电压的巡检测量方法，虽然也可以实现对蓄电池的进行在线监 测，但主要是对浮充状态下的蓄电池性能进行诊断，不能对蓄电池充、放电的动 态过程中的性能状态进行实时故障判断。因此解决实时判断蓄电池充、放电动态 过程中的运行状态是完善蓄电池在线监测仪器的主要问题。 1 3 本课题研究的目的和内容 由上所述可知，蓄电池是发电厂、变电站等电力系统和通信邮电系统中一种 最常用的后备电源，而且随着我国电力、通讯行业快速发展以及人们对蓄电池维 护工作的越来越重视，因此对直流系统蓄电池监测仪器的市场需求也越来越大。 而目前国内现有的监控仪器由于监测方法及蓄电池失效模式判据不当的限制，使 其性能不能完全满足对蓄电池监控的需要，而国外的同类仪器虽然性能较高，但 价格昂贵，不适合一般用户使用。微处理器技术的飞速发展和蓄电池监测技术方 法的不断完善，为提高直流系统蓄电池监测仪器的整体性能和降低系统成本提供 了可能。研究开发具有巡检速度快、性能更加完善可靠、性能价格比高的蓄电池 智能监测仪器是蓄电池监测装置的必然趋势和发展方向。 本课题研究了蓄电池组运行状态监测的有关技术，在此基础上，利用最新的 微处理器技术，结合现代电路设计方法，通过使用更加全面的蓄电池失效模式判 据，开发设计了一种性价比高的新型蓄电池在线监测仪器。本课题提出了种新 第一章绪论 的蓄电池单体电压测量方法，除了能够对蓄电池的浮充状态进行在线监测以外， 还可以通过蓄电池组的均匀性实现对蓄电池在充、放电的动态过程中的运行状态 实施实时在线监测诊断。另外还可以通过定期对蓄电池组进行短时间( 3 分钟左 右) 放电的方法，可以发现个别在浮充状态下监测状况良好但实际上已经存在故 障的落后电池。 本论文主要内容包括以下几个方面： 1 ) 第一章阐述了对蓄电池实施监测维护的重要性和迫切性，分析了当前蓄 电池监测的现状，并提出了本课题研究的目的和主要内容。 2 ) 第二章讨论了蓄电池充放电的化学机理以及表征蓄电池荷电状态的主要 技术参数，详细介绍了目前测量单体电池电压的一些方法，并重点分析 了蓄电池组的均匀性( 一致性) 对蓄电池放电能力的影响。 3 ) 第三章详细论述了测量控制系统的设计，包括电压数据采集、微处理器 控制、输出显示及串行通信系统设计。结合对系统性能的要求，选择合 适的芯片和器件，并着重分析了系统的设计思路及实现方法。 4 ) 第四章重点阐述了系统软件的设计，对系统软件流程和功能设计作了详 细说明，并对软件抗干扰技术在本系统的应用作了具体说明。 5 ) 第五章对系统的校准作了具体阐述，首先分析了片内a d c 校准和电压采 集的非线性校准问题，然后重点讨论了通过自行设计的模拟蓄电池实际 运行的验证实验，对实验数据作了综合分析说明。 本章小结 本章在说明蓄电池监测的重要性和紧迫性的基础上，重点讨论了蓄电池的 监测方法及其现状，最后提出了本课题的研究目的和主要内容。 第二章蓄电池监测技术基础 第二章蓄电池监测技术基础 2 1 蓄电池的电化学原理 2 1 1 蓄电池的电池反应 蓄电池由普兰特( p l a n t c ) 在1 8 6 0 年发明，1 8 8 2 年葛拉斯顿( j h g l a n d s t o n e ) 和特瑞比( a t r i b e ) 提出了蓄电池成流反应的“双硫酸盐化理论”1 2 1 1 3 4 1 。按照 这一理论，蓄电池的电极反应和电池反应如下： 青由 负极反应：p b + h s 0 4 ；! 詈p b s 0 4 + 日+ + 2 e ( 2 1 ) 日 * d 1 正极反应：p b 0 2 + 3 h + + h s o t + 2 e ；! 睾p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 2 ) 冗电 诗由 电池反应： p 6 + p b 0 2 + 2 h + + 2 h s o 一筹 2 p b s 0 4 + 2 h 2 0( 2 3 ) 兀b 因为在放电时，在正、负极上都生成了硫酸铅，所以叫“双硫酸盐化理论”。 从上述反应式可以看出： ( 1 ) 蓄电浊的负极活性物质p b 在放电时发生氧化反应生成尸6 - 。，在 充电时，p b s 0 4 被还原成p b 。蓄电池的正极活性物质p 6 d ，在放电时发生还原反 应生成p b s o 。，同时有水蒸气产生，在充电时，e b s 0 4 被还原成p b o ，。 ( 2 ) 蓄电池中的电解液不仅传导电流，而且参加屯池反应。放电时硫酸不 断减少。同时又有水生成，这样就使电池中的电解液浓度不断降低，反之在充电 时硫酸却不断生成，因此电解液浓度将不断增加。这就是可以使用密度法测量 硫酸液的浓度，从而评估蓄电池荷电状态的原因。但这只能适用于传统( 开口) 蓄电池，由于现在广泛使用的阀控蓄电池是密封的无法测量硫酸液的浓度，因而 采用密度法已经无法对蓄电池进行监测。 ( 3 ) 蓄电池在放电时产生大量水蒸气，且反应越剧烈，温度越高产生的 水蒸气越多，因此开口蓄电池需要定期补充因水蒸气挥发损失的水分，防止电解 液的浓度过大导致硫酸盐结晶，加速蓄电池的老化速度。对于阀控蓄电池由于是 密封的，化学反应产生的水分可以循环利用，不需补充水分，因而这种蓄电池也 称免维护蓄电池，但只是针对不用加水而言是免维护的，其它的日常维护和监测 第二章蓄电池监测技术基础 还是必须要进行的。 2 1 2蓄电池的电动势 电动势是蓄电池在理论上产生电能大小的量度之一，由电池中进行的反应所 决定，与电池的尺寸、形状无关。如果其它条件相同，电动势愈高的电池，理论 上能输出的能量就愈大，实用价值就愈高。 计算电动势有两种方法【3 】： ( 1 ) 由电池反应直接计算电池的电动势，根据能斯特( n e r n s t ) 公式有 e ：e9 一旦l n 生( 2 - 4 ) n f 口。 其中：e 8 一标准电动势( v ) ；n 一电池反应中得失的电子数： f 一法拉地常数，f = 9 6 4 8 7 c ；卜热力学温度( k ) ： r 一摩尔气体常数，r = 8 3 1 j ( k m o o ： 口。一电池反应产物的活度：口。一电池反应作用物的活度。 e 9 根据下式得到： 点。= 妒冉一妒“ ( 2 5 ) 其中妒“为正极的标准电极电势，妒“为负极的标准电极电势，都可以从手 册查到。 ( 2 ) 首先计算两个电极的平衡电极电势，然后根据下式计算电动势： e = 妒+ 。一妒一。 ( 2 6 ) 其中妒+ 。和贮。分别为电池正负极的平衡电极电势，可以根据能斯特公式计 算得到。 2 1 3 蓄电池的主要技术参数及其定义 能够表征蓄电池的性能状态的技术参数主要包括以下些参数川： ( 1 )容量 容量是用来蓄电池能够放出的能量大小的参数，单位为安培小时( a ) ，简 称安时，一般用电流和时间的积分来定义电泡的容量： c = i ( t ) d t( a h ) ( 2 7 ) 容量又分为标称容量( 额定容量) 和剩余容量( 保有容量) 。额定容量是电 第二章蓄电池监测技术基础 池生产者规定的表征电池容量的标准值，一般规定用恒定电流在2 0 或室温下 的放电容量作为额定容量。剩余容量是指蓄电池在经过一定时间放电后所能继续 放出的电量。 ( 2 ) 开路电压 蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压，也是两极的电极电势之差，即 稳定电势或混合电势之差，在数值上接近蓄电池的电动势。 ( 3 ) 放电参数 放电电流：蓄电池放电期间的电流。放电电流越大，蓄电池容量下降越快， 端电压也下降越快且随着放电负载的变化而变化。 放电初始电压：由于电压瞬降现象的存在，一般取放出容量1 0 以后的电 压作为初始电压值。 放电终止电压：为了防止蓄电池过度放电，影响蓄电池的使用寿命，一般规 定一个终止电压，放电电压达到终止电压时应该对蓄电池进行充电。 ( 4 ) 充电参数 充电电流：对蓄电池充电对的电流，一般应该分阶段改变电流的大小( 后面 将作详细解释) 。 充电电压：充电电压的大小直接影响蓄电池充电时间的长短，般在整个充 电过程中应分阶段改变充电电压大小。当蓄电池充满电时，这时就不宜再用正常 的充电电压对蓄电池充电，此时需要用合适大小的电压对蓄电池进行浮充充电， 而此时的充电电压即称为浮充电压。 ( 5 ) 温度 蓄电池在常温下能够正常使用但温度过低或过高都会影响蓄电池的放电容 量和使用寿命，加速蓄电池的老化1 4 7 5 “。 2 2 蓄电池的充、放电特性 2 2 1 蓄电池的充电特性 ( 1 ) 电池充电时端电压与容量的关系 在充电过程中，铅酸电池负极板上的硫酸铅逐渐变为铅，正极板上的硫酸铅 逐渐变为二氧化铅。当正负极板上的硫酸铅完全变成铅和二氧化铅后，电池开始 第二章蓄电池监测技术基础 发生过充电反应，产生氢气和氧气。过充电开始的时间与充电速率有关。当充电 速率大于c 5 时，电池容量恢复到放出容量的8 0 以前，即开始过充电反应， 如图2 1 所示。只有充电速率小于c 1 0 0 ，才能使电池容量恢复到1 0 0 后，才 开始过充电反应。由图2 一l 还可以看出，采用较大充电速率时，为了使电池容量 恢复到1 0 0 ，必须允许一定的过充电，过充电反应发生后，单个电池的电压迅 速上升，达到一定数值后，上升速率减小，然后电池电压开始缓慢下降。由此可 知，电池充足电后，维持电池容量的最佳方法是在电池组两端加入恒定的电压， 即对蓄电池进行浮充。在浮充状态下，充入电池的电流应能补充电池因白放电而 失去的电量。浮充电压不能过高，以免园严重过充电而缩短电池的寿命。采用适 当的浮充电压，不仅可以补充蓄电池由于自放电等因素造成的电能损失，而且还 可以使有效地延长蓄电池的使用寿命3 】1 4 1 】【4 ”。 罡 容量恢复百分数 图2 一l 蓄电池充电时端电压与容量的关系 ( 2 )温度对蓄电池充电的影响 铅酸蓄电池的电压与温度有很大关系，温度每升高1 ，单个电池的电压将 下降4 m y 。也就是说，铅酸电池的电压具有负温度系数，其值为一4 m v 。c 。由 第二章蓄电池监测技术基础 此可知，在环境温度为2 5 时工作很理想的充电器，当环境温度降到oo c 界j ，电 池就不能充足电，当环境温度升到5 0 。c 时，电池将因严重过充电而缩短寿命。 2 2 ，2 蓄电池的放电特性 ( 1 ) 放电时端电压的变化规律1 3 】f 4 1 】i 删i 4 9 】 将一只额定电压2 v 的蓄电池完全充足电后以2 0h 放电率的电流进行放电， 且不断调节可变电阻，使放电电流保持恒定，每隔定时间铡量一次电池的端电 压，得到的放电特性断线如图2 - 2 所示。 u i p o5i o1 52 0 t h 图2 - 2蓄电池的放电特性曲线 6 从图中可以看出蓄电池的整个放电过程可分为以下4 个阶段： a 开始放电阶段 开始放电时，化学反应在极板孑l 内进行，首先消耗的是 极板孔内的硫酸、而此时外围的硫酸来不及向内补充，所以极板孔内电解液密度 迅速下降( 电动势迅速下降) ，端电压迅速下降。 b 相对稳定阶段随着极板孔隙内电解液密度的不断下降，硫酸向孔隙内 的扩散速度也随之加快，从而使放电电压和放电电流得以维持，极板孔隙内外的 密度差基本保持一定，端电压也按近似直线规律缓慢下降。 c 迅速下降阶段当放电接近终了时，孔隙外电解液密度已大大下降，极 板表而硫酸铅的数量增多，急剧下降的临界点( 端电压约为1 7 v ) 称为放电终 终止电压，如图2 2 虚线所示，若此时仍继续放电，端电压会很快下陷到o v ， 所以必须停止放电。 d 电压回升阶段停止放电后，由于放电电流为0 、故内阻上的压降为0 ， 第二章蓄电池监测技术基础 且有足够时间让硫酸渗入列极板孔隙内，所以端电压回升到一定的电动势数值。 ( 2 )温度对放电特性的影晌 蓄电池以恒定的电流放电时，如果蓄电池的温度不同则端电压下降的情况 也不同。温度低时的端电压始终比温度高时的端电压要小些，这是因为当温度低 时，电解液的粘度大、离子运动的速度减慢、内阻增大、化学反应速度慢、极扳 孔隙内的硫酸不能得到及时的补充，所以端电压下降得快。 2 2 - 3蓄电池的深度放电( 过放电) 蓄电池经过深放电后，电池的初期容量会有所提高，且随着放电深度的加深， 容量也相应的上升，电池的荷电保持率几乎没有受到影响，但是电池的循环使用 寿命却大大地缩短了。这是由于过度放电会使活性物质参加化学反应后生成的盐 堆积，容易结晶无法还原为活性物质继续循环利用，而且结晶盐还会对电极进 行腐蚀，加速蓄电池的老化。因此，应尽量避免对蓄电池进行深度放电，一般都 要设定一个放电终止电压，待放电后端电压到达放电终止电压后，应及时对蓄电 池进行充电h ”。 2 2 4 故障蓄电池的充放电特性 对于存在故障的蓄电池，在浮充状态下检测其端电压可能处于正常状态t 但 其充、放电的动态过程与正常蓄电池有明显区别。由于故障蓄电池的容量较小， 内阻较大，充电时，很快被充满电，端电压也增大的很快，放电时，故障蓄电池 也很快把存储的电量放完，其端电压也很快急剧下降纠。 2 3 蓄电池组的均匀性研究 2 3 1蓄电池组均匀性的重要性 对于同一批生产出来的新的铅蓄电池而言，它们的电气性能是比较一致的， 其特征是在充足电后或放完电后电池组中各单体电池的电压和电解浓密度是比 较均匀的，彼此之间的细微差别可以认为是测量误差引起的。但随着电池使用时 间的延长或充放电次数的增加，各个单体电池之间的差别就表现出来了由于它 们是串联的，于是就会造成在充电时一部分电池充电不足，另一部分电池过充电， 在放电时一部分电池尚未达到终止电压，但另一部分电池又会过放电甚至出现 第二章蓄电池监测技术基础 “反极”现象。长此下去就会引起恶性循环，加速电池失效。显然，蓄电池组中 各个单体电池的均匀性将是电池组可靠性的重要保证1 4 3 1 1 ”i i 删。 2 3 2 蓄电池组端电压的分布规律 充分利用全部电池的电压数据提供的信息，利用数理统计方法分析铅蓄电池 组在运行过程中，每次放完电和充足电后电池端电压的分布规律，同时考察它们 的平均值和标准差在电池使用过程中所发生的变化。 统计数学中是用均值和标准差盯来描述变量x 的取值规律，它们可用以下 数学式表示： y m 彳= 刍l 一 片 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 上述两式中，z 可代表电池组中各单块电池的端电压，x 代表电池组中各 单体电池的端电压参数的平均值；n 代表电池组中包含的电池数。n 越大，统计 结果越准确：仃将反映各参数对其均值的偏离程度，盯越小，则均匀性越好，电 池组的可靠性也必然愈佳。 表2 1 列出了一蓄电池组放完电后测得的各个电池端电压的分布情况。全体 电池端电压平均值v = 1 8 2 3 v ，方差s2 = o 0 1 8 9 3 2 ，从其分布趋势来看，端电压 在1 8 2 v 附近的电池数目最多，概率最大，两边处于基本对称的下降趋势。因而 可以初步认为该组电压数据来自正态分布总体。采用石2 检验法可以证明，表1 所列各个电池的端电压的概率分布是服从正态分布n ( i 8 2 3 ，0 0 1 8 9 32 ) 的。 表2 - 1蓄电池放完电后的电压数据 电池端电压( v )l ，7 81 7 91 8 01 8 11 8 21 8 31 8 41 8 5 ，6l 电池个数l 261 i1 47663 i 撮宰分布0 0 1 80 0 3 6o 1 0 70 1 9 60 。2 6 00 1 2 5o 1 0 7o ，1 0 7o 0 5 4i 由正态分布曲线的特征可知，i 是电压概率密度正态分布曲线最高点的横 坐标，它是全组电池放电电压的均值，可以看作是该组电池的宏观性能参数，可 用它来判断蓄电池组的放电状态。标准差仃则表征蓄电池组中各单体电池放电电 第二章蓄电池监测技术基础 压分布的离散程度，盯值越大，电池的均匀性越差，电池组的可靠性越差。随着 电池使用时间的增加，仃值呈逐步增大的趋势，即电池放电电压的均匀性是逐渐 下降的，电池组的可靠性也必然随之下降，一般取x 2 0 作为电池均匀性的控制 极限值p 1 1 ”。 2 4 蓄电池电压检测方法 对蓄电池进行在线监测一项重要任务就是对蓄电池的有关性能参数就行巡 回检测，在所有表征蓄电池运行状态的外特性参数当中，端电压是非常重要的 个性能指标，通过端电压可以定性地对蓄电池的当前运行状态进行诊断。因而对 端电压进行在线巡回检测就显得十分重要。在研究蓄电池的电压检测方法过程 中，人们提出了许多方法，主要有以下几种： ( 1 )浮动地技术 对于单个电池电压的测试是非常简单的，但当用一路测量电路通过模拟开关 ( 4 0 5 1 ) 来测量由多个( 如2 4 个) 电池组成的蓄电池组的每个电池时，由于电池 信号电位超过模拟开关的电源电压，将使测量线路不能正常工作。蓄电池中每只 单体蓄电池电压在2 2 v 左右，2 4 只电池串联后总电压达5 0 v 左右，远远超过模 拟开关的电源电压。采用浮动地电位技术，让测量电路的地( g n d ) 电位受控，使 地电位随测量不同电池电压时自动浮动，就可以保证测量的正常进行。 参 电 图2 - 3 浮动地技术的原理图 图2 3 为浮动地技术的原理图。每次工作时。先由模拟开关选通，使被测 电池两端的电位信号接入测试电路，此信号一方面进入差分放大器：另一方面进 第二章蓄电池监测技术基础 入窗口比较器，在窗口比较器中与固定电位v r 相比较，从窗口比较器输出的开 关量状态可识别出当前测量地( g n d ) 的电位是太高，太低或正好( 相对于v r ) 。如 果正好，则可以启动a d 进行测量。加太高或太低，则通过控制器对地( g n d ) 电位行浮动控制。当需要对地电位进行浮动时，控制器将需要调整地电位的增量 送入d a 转换器，d a 形成的相应模拟增量将改变地电位，直到地电位调整 到恰当数值，使之不影响测量。 浮动地技术可以很好使测量电路正常工作，但是其浮动地调整电路要求比较 高，否则很难达到预期的浮动地效果，而且由于干扰信号的存在，窗口比较器容 易误判。因为每一节电池的测量都有一个地电位的调整的过程，因此该方法的电 压巡检速度较慢f 3 ”。 ( 2 )采用电阻分压网络 对每节电池电压进行测量，有两种方法：对每节电池电压直接采样。采 样第r l 节电池的端电压u n 减去第( n 1 ) 节电池的端电压u n l 得第n 节电池电压。 选用第二种测量方法，利用电阻分压网络对蓄电池的端电压进行检测，原理图如 图2 4 所示。 u ( n j i 一 图2 4电阻分压网络电压测量法 由2 _ 4 可以得出，通过电阻分压： m ：导r + 溉 ( 2 1 0 ) 心i + 。2 利用继电器或模拟电子开关，测得所有的u n 后，就可以计算出所要的蓄电池的 第二章蓄电池监测技术基础 端电压。该电路虽然简单，但由于分压电阻阻值的漂移等因素的影响，测量结果 不够准确，而且对蓄电池端电压的变化反应速度较慢，不能及时有效的发现故障 电池1 5 0 。 ( 3 )其它测量方法 测量蓄电池端电压的方法还有很多：用光电隔离器件和大电解电容器 构成采集隔离保持电路来测量电池电压，但其在a d 转换过程中，电容上的电 压能发生变化，使其精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件 动作延迟等因素，决定采样时间长啡l 。采用可编程定时器的v f 转换器，在 多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上采用可编程 定时器的v f 转换器。其中，在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的 问题上存在技术难点，且采用v f 转换作为a d 转换器其缺点是响应速度慢、 在小信号范围内线性度差、精度低m 1 。采用线性光耦合器，该方法对线性光 耦合器的线性度要求比较高，否则很难保证测量结果的精度，而且还要解决光耦 的输入信号范围控制问题。 本章小结 本章在阐述蓄电池的电化学原理的基础上，介绍了表征蓄电池性能的一些参 数，并对蓄电池的充、放电特性进行了分析，还讨论了蓄电池组的均匀性对蓄电 池的使用寿命和可靠性的影响。最后对在蓄电池巡检技术中电压检测的方法进行 了详细的分析。 第三章监测控制系统设计 第三奄监测控制系统设计 前面介绍了蓄电池检测技术的基础知识，并对当前蓄电池监测巡检过程中与 电池性能状态最密切相关的电压参数的检测方法进行了具体的讨论分析。虽然以 前的电压检测方案都有各自的优越性和可取之处，但是在电压检测精度、巡检速 度、故障诊断等方面还不能完全达到人们的期望，且随着邮电通讯系统和电力系 统等使用蓄电池做后备电压的场所对直流系统的安全性和可靠性的要求日益提 高，采用前述方法对蓄电池进行巡检的装置已经不能满足现在直流系统监控仪器 的要求，给用电设备埋下了隐患。本课题在总结以前电压检测方法的基础上，结 合蓄电池监测系统的具体要求，提出了一种新的电压巡检方案。 本章除了对本课题采用的电压参数巡检方案的分析说明以外，还对整个蓄电 池在线监控系统的硬件设计，从器件选择、电路设计、组织体系等多个方面作了 详细具体的分析说明。 3 1 系统总体结构和功能设计 整个系统采用模块化设计，在满足系统性能要求的前提下，选用性能表现优 良的最新器件。系统硬件主要有以下几部分组成：由数据采集电路、温度传感电 路、电流传感电路、外部数据存储器、大屏幕液晶显示电路、声光报警电路、 m c u 控制系统等。m c u 采用模拟器件公司的最新微控制芯片a d u c 8 3l ，由于 该芯片不但内部集成了模数转换器，而且还内置了达6 4 k 的f l a s h 程序存储器 因此不但简化了电路设计，还提高了整个系统的可靠性能。系统的具体工作过程 是：数据采集电路不断循环采集各个单体电池电压、总电压等，经差分放大，模 拟开关，由a d u c 8 3 1 单片机的内置模数转换器进行a d 转换，同时对环境温度、 流过蓄电池的电流进行采集送模数转换器进行a d 转换，然后由微控制器对采 集的各种参数进行综合分析处理，测量数据能够实时通过液晶显示器显示，对个 别电池出现异常时能够及时发出声光报警。系统自带3 2 k 非易失性数据存储器， 用于记录采样值及保存蓄电池运行状态信息，且能通过2 3 2 或4 8 5 通讯接口对数 据上传。其功能框图如图3 1 所示。 本课题设计的蓄电池在线监测系统，实现三种工作模式，主要功能特点有： 提出了一种全新的蓄电池组单体电池电压检测方案： 第三章监测控制系统设计 除了能够对蓄电池组的浮充状态进行实时在线监测外，还能根据蓄电池组 的均匀性等判断标准对蓄电池在充、放电动态过程中的性能状态实施实时在 线监测和故障诊断； 数据采集电路采用模块化设计，可根据蓄电池个数确定模块数量，每个模 块可测量一组1 6 节电池，最多可测量1 1 2 路单体电池； 可兼容2 v ，6 v 和1 2 v 电池，具有良好的可扩展性能： 采用功能强大的新型数据采集芯片a d u c 8 3 1 作为控制核一e 、i 采用大屏幕液晶显示器，友好的功能界面，能直观的了解足够的电池信息； 配有大容量非易失性数据存储器，并内置实时时钟： 有r s 一2 3 2 和r s 一4 8 5 通讯接口，可以与上位机或其它监控设备通讯。 图3 - 1蓄电池在线监测系统功能框图 3 2电压采集电路设计 由第二章可知，已经研究使用的蓄电池组中单体电池电压测量方法如浮动地 测量法、电阻分压网络法、v f 变换法及线性光耦法等，虽然存在各自的优点， 并能在一定程度上满足蓄电池监控维护工作的需要，但是由于监控方法、巡检速 度、器件选择、失效模式判据不够充分等原因，不能达到对蓄电池可靠监控维护 的要求。为了对蓄电池组的单节电池电压特别是高压部分的单节电池电压实旌实 时在线检测，得到准确的电压信息送m c u 进行分析判断，本论文采用了两个集 成运算放大器构成的性能优良的线性差动运算电路，可以将想要的电压参数直接 采集得到。电路原理图如图3 2 所示。 第三章监测控制系统设计 图3 2 中的c 、d 两个运算放大器无需具备相同的特性功能，它们可以是低 温漂的斩波稳零式运算放大器，也可以是一般性能的通用运算放大器。由于要测 量的电池较多而每一节电池都要对应一个线性差动运算电路，因而所需集成运 算放大器较多，从采集电路要求、系统功耗等方面综合考虑，本论文选用了t i ( ! x a si n s t r u m e n t ) 公司生产的4 运放集成芯片t l 0 6 4 c n ，该芯片是具有 高输入阻抗的j f e t 输入通用运算放大器，具有以下显著特性： 低功耗，仅为6 m w 宽共模和差分电压范围，低输入偏置电流和漂移 共模输入电压范围1 2 v + 1 5 v 内部频率补偿，输出短路保护 转换速率高，3 5 v ps 图3 - 2 蓄电池电压采集电路 由于t l 0 6 4 c n 集成的4 个运算放大器性能相近，而电压输入信号v ( n + 1 ) 和 第三章监测控制系统设计 v n 作用在两个输入端相似的运算放大器，因而输出状态也相似。从而避免了两 个输入信号作用在同个运算放大器的不同输入端所引起的差异，减小了运算误 差，提高了测量精度。 根据运算放大器的特性，可分析计算出经过采样电路后的输出电压为 h = 塑r n2 堕r n4m + 1 ) 一等r n 砌 ( 3 - 1 ) 、 l 。 取r n l = r n 2 = r n 5 ，r n 3 = r a 4 ，则有蓄电池b n 经采样电路后的端电压为 v 门= v ( 玎+ 1 ) 一v n( 3 - 2 ) 其中v n 是第1 1 路的输入端电压。v n 经模拟开关选通后，再经电压跟随器，由 a d u c 8 3 1 内置1 2 位高精度的自校准模数转换器进行a d 转换。 r n l 、r n 2 、r n 3 、r n 3 和r n 5 的值可以根据要检测的蓄电池标称电压是2 v 、 6 v 还是1 2 v ，以及是测量单节电池电压还是电池组总电压进行匹配选择，只要 这些电阻匹配精确该线