網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

　　目前，蓄電池在電力系統(tǒng)、電信系統(tǒng)、大型信息系統(tǒng)中被廣泛使用，合理地選擇及使用蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)，對獲得最大的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益有著很重要的意義。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)浮充狀態(tài)下的電池信息，不足以準(zhǔn)確反應(yīng)電池的劣化。為解決浮充狀態(tài)下數(shù)據(jù)信息不足的問題，本設(shè)計采取了監(jiān)測裝置與充電機(jī)互動的設(shè)計方案，在互動過程中采集放電數(shù)據(jù)，采用基于軟計算的預(yù)測模型進(jìn)行電池劣化（SOH）和剩余容量（SOC）的在線動態(tài)計算。
　　網(wǎng)絡(luò)不僅改變了設(shè)備連接形式，而且可以通過設(shè)備信息的集中和融合提高了設(shè)備的智能化。在構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)互連環(huán)境下，本方案進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下蓄電池監(jiān)控數(shù)據(jù)的加工處理，以實(shí)現(xiàn)蓄電池監(jiān)測軟計算模型的動態(tài)進(jìn)化。

2 監(jiān)測裝置與充電機(jī)互動設(shè)計方案

　　監(jiān)測裝置與充電機(jī)互動是本方案研究的一個重要內(nèi)容，是提高劣化程度預(yù)測準(zhǔn)確性的創(chuàng)造性工作模式，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 互動方案的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Fig.1 Main structure of interplay monitoring system
　　互動方案的主要原理是：電池監(jiān)測（Battery Monitoring Unit--BMU）進(jìn)行日常的巡檢，并且分析采集的數(shù)據(jù)及變化趨勢，在一定條件下請求充電機(jī)（Rectifier Unit--RU）配合進(jìn)行部分放電測試。由于RU在部分放電時設(shè)置為一個比蓄電池放電下限電壓低的某一整流輸出值，既能使電池提供用電設(shè)備的負(fù)荷功率，又避免了放電過程中由于電池問題帶來的停機(jī)風(fēng)險。
　　在正常浮充狀態(tài)下，BMU連續(xù)檢測電池組的電壓和內(nèi)阻，若發(fā)現(xiàn)電壓或內(nèi)阻異常，則啟動部分放電測試過程，進(jìn)行更深一層次的測試。該測試過程也被設(shè)置為按一定周期啟動，如一個月。
　　在放電測試期間，將劣化程度預(yù)測模型所需的放電數(shù)據(jù)，采集包括浮充電壓、初始跌落、正常放電電壓等數(shù)據(jù)，通過SOH預(yù)測模型運(yùn)算，準(zhǔn)確得知SOH。
　　這樣，在內(nèi)阻監(jiān)測的基礎(chǔ)上，監(jiān)測系統(tǒng)通過采用三類不同深度的放電測試達(dá)到長期連續(xù)準(zhǔn)確檢測SOH的目的：
　　1） 完全放電 電池在投運(yùn)之前應(yīng)進(jìn)行一次100%深度的放電，以確認(rèn)該電池組能滿足設(shè)計要求。否則，若存在產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，會影響到后續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，放電前應(yīng)該充滿并在浮充狀態(tài)保持一定的時間。
　　2） 中等深度的放電 中等深度指30—50%深度的放電。檢測裝置的數(shù)據(jù)處理方法根據(jù)此深度的放電數(shù)據(jù)可以相當(dāng)準(zhǔn)確地計算各電池的SOH，同時亦避免了更加深度放電過程的突然停電，使設(shè)備承受斷電的危險。
　　3） 周期性的短時放電 根據(jù)蓄電池應(yīng)用場合選取適合的周期，例如3個月。一般短時放電的深度為5%左右。
　　互動方案的長期運(yùn)行方式如圖2所示，一般為多次短時放電測試后加入一次中等深度放電，或者在短時放電測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池可能嚴(yán)重劣化時進(jìn)行一次中等放電予以確認(rèn)。如果被確認(rèn)預(yù)測結(jié)果正確，則通知控制中心；若證明預(yù)測有誤，則對預(yù)測模型作自適應(yīng)調(diào)整。在最后一次中等深度放電確定電池劣化嚴(yán)重后，采取更換措施，更換之前進(jìn)行一次完全放電。

圖2 互動方案的監(jiān)測過程
Fig.2 Interplay monitoring proceeding

3 監(jiān)測裝置的模塊化設(shè)計

3.1監(jiān)測裝置設(shè)計要求

　　根據(jù)閥控鉛酸電池的一般使用情況和監(jiān)測管理的目的，監(jiān)測裝置的設(shè)計主要考慮以下幾個方面：
　　1） 浮充電壓測量 電池浮充電壓的相對差異很小，要求測量電路具有高準(zhǔn)確度，電池組串聯(lián)后的高電壓要求電路具有抗高共模性能。
　　2） 電流監(jiān)測　檢測電池充電、放電電流值。
　　3） 環(huán)境溫度（或標(biāo)樣電池溫度）監(jiān)測。
　　4） 內(nèi)阻測量　在線測量每個單電池的內(nèi)阻值。
　　5） 模塊結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)要滿足大部分應(yīng)用場合，便于現(xiàn)場安裝與維護(hù)。
　　6） 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計 網(wǎng)絡(luò)化和信息化是電子設(shè)備的發(fā)展趨勢，系統(tǒng)設(shè)計要有通訊接口和多種網(wǎng)絡(luò)方案。要適于遠(yuǎn)程管理和集中監(jiān)控。
　　7） 可靠性 要求裝置長期穩(wěn)定工作。
　　8） 電磁兼容 檢測裝置應(yīng)對用戶設(shè)備不能產(chǎn)生任何附加干擾，保證用戶設(shè)備同監(jiān)測系統(tǒng)共同長期穩(wěn)定工作。同時還要求裝置具有較強(qiáng)的抗干擾能力，在大功率電源裝置投切時保持穩(wěn)定。
　　如圖3所示，為監(jiān)測裝置的硬件組成。

圖3 監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)
Fig.3 Hardware structure of monitorin

3.2檢測模塊設(shè)計

　　檢測模塊主要包括5個部分：
　　1） 電壓、電流、溫度的測量電路；
　　2） 通道切換；
　　3） A/D轉(zhuǎn)換電路；
　　4） 微處理器單元；
　　5） 通訊接口。
　　檢測模塊完成數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)傳給控制模塊。高精度、高時效的數(shù)據(jù)采集模塊采用模塊化設(shè)計方案，兼顧了專用化與通用化原則，配置靈活，根據(jù)采樣點(diǎn)種類及規(guī)模的需求，各個模塊可單獨(dú)使用，亦可自由組合，能適應(yīng)不同的監(jiān)測場合。
　　電池的串聯(lián)給采樣電路的設(shè)計帶來困難，本方案中使用耐高壓電子開關(guān)解決巡檢的困難。PhotoMOS是一種新型光耦合的耐高壓電子開關(guān)，它與普通的光耦相似，但輸出端為場效應(yīng)管，克服了晶體管的管壓降問題，適合本方案所要求的高耐壓、高精度、高速的要求。
　　高共模采樣電路原理如圖4所示，在A/D和CPU之間采用光耦合方式進(jìn)行電氣隔離。

圖4 高共模采樣電路
Figure 4 Data acquisition circuit for high common voltage

3.3 內(nèi)阻模塊設(shè)計

　　內(nèi)阻模塊與系統(tǒng)的分布式結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，接受檢測模塊的調(diào)度。用于向電池組注入內(nèi)阻測量的激勵信號。
　　內(nèi)阻模塊的設(shè)計主要研究解決以下4方面問題：
　　1） 受控 波形和頻率受采樣模塊CPU控制，可以工作在設(shè)計范圍內(nèi)的任意頻率點(diǎn)和不同波形。
　　2） 穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性　要保持長期工作的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，模塊之間可以互換。
　　3） 獨(dú)立性 激勵信號不受電池充放電回路的影響。
　　4） 工作范圍寬 能夠在電池組的最低放電下限和最高充電上限范圍內(nèi)正常工作。
　　以上要求主要體現(xiàn)在硬件電路設(shè)計中。

3.4控制模塊設(shè)計

　　控制模塊用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機(jī)界面操作，實(shí)時顯示、智能分析電池數(shù)據(jù)，對異常的電池運(yùn)行情況進(jìn)行及時報警。

3.5監(jiān)測裝置應(yīng)用

　　在本方案的研究過程中，監(jiān)測裝置在電信48V直流系統(tǒng)、電力220V直流系統(tǒng)和石油化工400V不間斷電源系統(tǒng)3種典型的閥控鉛酸蓄電池應(yīng)用場合得到實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了技術(shù)方案的合理性。
　　圖5 所示為系統(tǒng)工作流程。

圖5 蓄電池監(jiān)測裝置工作流程圖
Fig.5Battery monitoring system working schedule

4 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的蓄電池監(jiān)測技術(shù)研究

　　網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的發(fā)展為蓄電池的智能監(jiān)測和管理提供了新的解決方案。隨著網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的普及，使用網(wǎng)絡(luò)來管理蓄電池是可行的，因此，蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是必然的發(fā)展方向。為此我們在系統(tǒng)中增加了以下功能：
　?。?） 內(nèi)阻數(shù)據(jù)，系統(tǒng)采集與傳送每個電池的內(nèi)阻，此數(shù)值每天更新一次；
　?。?） 上傳數(shù)據(jù)增加了SOC和SOH數(shù)值；
　?。?） 增加了報警項(xiàng)目；
　　(4) 增加了控制命令，可啟動快速容量測試和中等深度的容量測試。（為安全起見，完全放電測試需要維護(hù)人員到現(xiàn)場操作。）；
　　(5) 增加了放電數(shù)據(jù)包的獲取功能；
　　(6) 設(shè)計了軟計算模型下傳功能，能夠?qū)OH模型的配置參數(shù)下傳至電池監(jiān)測裝置。

5 蓄電池軟計算模型的進(jìn)化

5.1 軟計算模型的缺陷分析

　　監(jiān)測裝置與蓄電池一同安裝在工作現(xiàn)場，在線監(jiān)測蓄電池的工作條件，通過與充電機(jī)互動測試，采用軟計算技術(shù)實(shí)現(xiàn)SOH和SOC的在線動態(tài)估計。軟計算方法可以任意逼近動態(tài)非線性函數(shù)，但是，軟計算模型的學(xué)習(xí)卻是一個在現(xiàn)實(shí)中很困難的問題。這是因?yàn)椋?br style="margin-top: 0px; margin-right: 0px; margin-bottom: 0px; margin-left: 0px; padding-top: 0px; padding-right: 0px; padding-bottom: 0px; padding-left: 0px; ">　　(1) 電池的劣化是非常復(fù)雜的化學(xué)、物理過程，失效的情形千差萬別，目前還需要進(jìn)一步研究。
　　(2) 不同劣化程度的電池非常難于獲得。在近幾年對幾十組電池的測試后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場的電池或者劣化程度不夠嚴(yán)重，或者已經(jīng)完全失效，處于中間狀態(tài)的電池非常少。即學(xué)習(xí)樣本難于獲取。
　　對于蓄電池監(jiān)測，我們試圖建立比較準(zhǔn)確的監(jiān)控模型，但由于訓(xùn)練樣本的限制，模型與實(shí)際對象存在差異，隨著樣本的增加，模型接近對象的程度也將提高。基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一方面可以廣泛獲得有效的實(shí)際放電數(shù)據(jù)，將典型數(shù)據(jù)加工為有效學(xué)習(xí)樣本，使模型得到更進(jìn)一步的訓(xùn)練；另一方面，通過網(wǎng)絡(luò)將升級后的模型下載到監(jiān)測裝置，提高監(jiān)測裝置的軟計算性能。

5.2計算模型的進(jìn)化

　　蓄電池的使用壽命由設(shè)計、制造和使用的多因素影響，對于SOH軟計算模型，如何進(jìn)行有效訓(xùn)練，使模型能夠反映蓄電池劣化的復(fù)雜非線性是至關(guān)重要的，在獲得更多的有效訓(xùn)練數(shù)據(jù)后，軟計算模型得以完善和驗(yàn)證，其全局準(zhǔn)確度將不斷提高，借助于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以將升級后的軟計算模型動態(tài)更新，使監(jiān)測裝置具有更好的性能。
　　為達(dá)到計算模型動態(tài)升級的目的，監(jiān)測裝置的軟計算模型以函數(shù)形式存儲在Flash電寫可擦除存儲器中，通訊程序接受網(wǎng)絡(luò)傳送來的軟計算模型數(shù)據(jù)，監(jiān)測裝置識別該數(shù)據(jù)包的特征，如果與所監(jiān)測的電池類型相符，則更新模型。

6 結(jié)語

　　本文對后備方式蓄電池浮充狀態(tài)下測量的局限性，研究了以測量裝置與智能充電機(jī)互動為主要特點(diǎn)的系統(tǒng)設(shè)計方案，并設(shè)計了測量分析裝置，達(dá)到連續(xù)有效地監(jiān)測電池狀態(tài)，取得了較好的現(xiàn)場使用效果。
　　本文研究了利用網(wǎng)絡(luò)對蓄電池進(jìn)行遠(yuǎn)程和集中監(jiān)控的方案。并針對軟計算技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)——訓(xùn)練樣本不足的問題，提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的監(jiān)測模型進(jìn)化的思想，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們相信基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的蓄電池智能監(jiān)測系統(tǒng)必將得到廣泛應(yīng)用。

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