通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設(shè)計

摘要：通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)作為通信電源運行維護的重要支撐手段，將發(fā)揮越來越重要的作用。文章對本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設(shè)計進行了深入研究，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(yīng)改進方案。最后通過實驗檢測結(jié)果證明了該設(shè)計方案的可行性。

1 引言

在本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，蓄電池監(jiān)控模塊是一個相對獨立的單元，擁有自己的處理器單元和數(shù)據(jù)采集單元。因此，它既能作為本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的一部分使用，同時加以簡單擴展就可以成為單獨使用的蓄電池在線檢測儀。本文詳細介紹了一套具有兩級集散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本地用通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設(shè)計。

2 蓄電池監(jiān)控單元的整體實現(xiàn)方案

蓄電池監(jiān)控一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點問題，在本系統(tǒng)中，蓄電池監(jiān)控單元主要完成以下幾方面的功能：剩余容量的在線檢測、均/浮充方式轉(zhuǎn)換、單體端電壓測試及落后電池檢出、電池體溫度測試等等。其總體實現(xiàn)如圖1所示。

圖1 蓄電池監(jiān)控單元的整體硬件結(jié)構(gòu)

處理器模塊是蓄電池監(jiān)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(shù)據(jù)進行高速分析處理，而且實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的保存查詢。

在數(shù)據(jù)采集模塊中，由于蓄電池監(jiān)控單元中需要處理的數(shù)據(jù)對精度均有特殊的要求，(比如對蓄電池內(nèi)阻的測量通常為mΩ級，且必須有足夠的位數(shù))，同時由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為緩慢變化的低時變信號，因此我們采用了16位的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7715,它具有自動校零、量程自動校準的功能，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(jiān)控單元中設(shè)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(shù)據(jù)。因此在本系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊實際是作為一個智能設(shè)備與主監(jiān)控模塊聯(lián)系的。下面分別對內(nèi)阻檢測模塊、單體電壓測試模塊、單體溫度測試模塊進行詳細的介紹。由于電流測試模塊與主處理單元的直流數(shù)據(jù)采集與處理類似，在此不再贅述。

3 蓄電池剩余容量的在線檢測

蓄電池的剩余容量是用戶最為關(guān)心的一個問題，它與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)，蓄電池剩余電量越高，則系統(tǒng)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(shè)備的正常工作的情況下，實時的在線監(jiān)測蓄電池的剩余電量，將有重要的實際意義。

蓄電池是個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不同負載條件下運行時，蓄電池實際可供釋放的電量也不同。隨著蓄電池使用時間的增加，其實際可釋放的電量也將下降。過去，常依據(jù)蓄電池的端電壓來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。隨著電池老化，其端電壓變化不明顯。因此，利用端電壓的變化來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(yù)測方法

目前預(yù)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(nèi)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的配制比例發(fā)生較大差異，從而導(dǎo)致用密度值推算剩余電量不再準確。同時由于目前的通信電源系統(tǒng)中大多采用的是閥控式鉛酸蓄電池，這一方法難以應(yīng)用。

(2)開路電壓法：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勢的關(guān)系。因此，通過測量蓄電池的開路電壓，就可以推算出蓄電池的剩余電量。其缺點在于隨著電池老化、剩余電量下降時，開路電壓變化不明顯，因此也就無法準確預(yù)測剩余電量。另外開路電壓是電池無載時的穩(wěn)態(tài)電壓，因此只能在電池靜置時方可測量，不適合實時在線測量。

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

(4)內(nèi)阻法：研究表明，電池的內(nèi)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，電池組電壓由18~360V的近五百個VRLA電池進行了測試，實驗結(jié)果表明，內(nèi)阻與電池容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)可以達到88%.因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預(yù)測其剩余電量。蓄電池完全充電(充滿)和完全放電(放完)時，其內(nèi)阻相差2~4倍左右。隨著電池充電過程的進行，內(nèi)阻逐步減小;隨著放電過程的進行，內(nèi)阻逐步增大。另外，隨著電池老化，其內(nèi)阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線

由于蓄電池完全充電和完全放電時內(nèi)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(nèi)阻來預(yù)測其剩余電量，要比開路電壓法精確得多。內(nèi)阻法的優(yōu)點在于對在線使用的蓄電池來說，此方法對系統(tǒng)影響最小，并可在電池的整個使用期內(nèi)精確測量。

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

3.2 內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的實施方案

內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的具體實施方法是：首先將蓄電池充滿電(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，記錄下放電過程中內(nèi)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，即剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系。將此曲線存入EPROM中，在以后測試同型號同規(guī)格的電池時，單片機根據(jù)在線測到的電池內(nèi)阻值，通過查表計算，得出其剩余電量值。因此，此種方法的關(guān)鍵在于如何在線測得蓄電池的內(nèi)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(nèi)阻值。其具體實現(xiàn)方案如圖3所示：

圖3內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的實現(xiàn)