蓄電池監(jiān)測(cè)裝置的研究

一、基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)

在線測(cè)量每個(gè)單電池的內(nèi)阻是檢測(cè)裝置的難題之一，測(cè)量準(zhǔn)確度直接關(guān)系到分析的準(zhǔn)確度。在線測(cè)量需要解決充電機(jī)和用電負(fù)載干擾的問題。對(duì)于大容量電池，電池內(nèi)阻是微歐級(jí)小信號(hào)，本文中采用了數(shù)字濾波技術(shù)提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

在線測(cè)量主要存在以下因素影響測(cè)量：

1）? 測(cè)量線耦合的高頻干擾信號(hào)；
　　2）? 50Hz工頻干擾；
　　3）? 充電機(jī)低頻紋波；
　　4）? 充電或放電的電壓緩變；
　　5）? 負(fù)載的不規(guī)則變動(dòng)。

對(duì)于高頻干擾，一方面通過硬件低通濾波削減，另一方面，在有效的A/D采樣頻率下進(jìn)行平滑濾波處理。有效信號(hào)組成如圖1-1所示。

本文的研究中設(shè)計(jì)了專用的激勵(lì)裝置，向電池組饋入受控交流信號(hào)，測(cè)量電路采集被測(cè)電池的交流電壓信號(hào)。為消除上述影響因素，采用了IIR數(shù)字濾波技術(shù)。

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采用直接方式即可實(shí)現(xiàn)差分方程運(yùn)算。圖1-2是采用橢圓濾波器設(shè)計(jì)的帶通濾波器，M=N=11，具有良好的下降斜率，在通帶和阻帶內(nèi)均為等紋波。

圖1-1

表1是量程為50mΩ的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表明該方法具有良好的線性和重復(fù)性。

表1 采用IIR濾波器的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（mΩ）

二、監(jiān)測(cè)裝置與充電機(jī)互動(dòng)設(shè)計(jì)方案

監(jiān)測(cè)裝置與充電機(jī)互動(dòng)方案是提高劣化程度預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性的創(chuàng)造性工作模式，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

互動(dòng)方案的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

浮充狀態(tài)下的測(cè)量理論和方法有其固有的局限性，放電測(cè)試能得到更為可靠的數(shù)據(jù)，但目前的放電測(cè)試或者需要人工干預(yù)，或者在不確定的停電發(fā)生后被動(dòng)進(jìn)行，前者難于經(jīng)常性的進(jìn)行，而且風(fēng)險(xiǎn)較大，后者的不確定性也帶來隱患。本文的互動(dòng)方案是針對(duì)先進(jìn)電源裝置的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方案，能有效解決前述的多方面問題。

互動(dòng)方案的主要原理是：電池監(jiān)測(cè)（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(shì)，在一定條件下請(qǐng)求充電機(jī)（Rectifier Unit--RU）配合進(jìn)行部分放電測(cè)試。由于RU在部分放電時(shí)設(shè)置為一個(gè)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(xiǎn)。
?
??? 在正常浮充狀態(tài)下，BMU連續(xù)檢測(cè)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(dòng)部分放電測(cè)試過程，進(jìn)行更深一層次的測(cè)試。該測(cè)試過程也被設(shè)置為按一定周期啟動(dòng)，如一個(gè)月。
???
在放電測(cè)試期間，將劣化程度預(yù)測(cè)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)，通過電池的劣化程度（SOH）預(yù)測(cè)模型運(yùn)算，準(zhǔn)確得知SOH。

此外，互動(dòng)方案并不排斥停電后的被動(dòng)測(cè)試，被動(dòng)放電也可以觸發(fā)進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，出現(xiàn)放電即觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，在放電深度達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)一次預(yù)測(cè)運(yùn)算。

這樣，在內(nèi)阻監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過采用三類不同深度的放電測(cè)試達(dá)到長(zhǎng)期連續(xù)準(zhǔn)確檢測(cè)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(jì)要求。否則，若存在產(chǎn)品本身的質(zhì)量問題，會(huì)影響到后續(xù)監(jiān)測(cè)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(shí)間。

2） 中等深度的放電 中等深度指30—50%深度的放電。檢測(cè)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(jì)算各電池的SOH，同時(shí)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(xiǎn)，一般的電池配置往往考慮了電池容量的裕量，比如一倍。因此中等深度的放電在一般情況下，包括一般性的停電故障發(fā)生情況下是安全的 。

3） 周期性的短時(shí)放電 根據(jù)蓄電池應(yīng)用場(chǎng)合選取適合的周期，例如3個(gè)月。一般短時(shí)放電的深度為5%左右，檢測(cè)裝置啟動(dòng)FNN運(yùn)算，預(yù)測(cè)電池的SOH。因?yàn)槭穷A(yù)測(cè)，其可靠程度在目前仍處在研究中。這也包括FNN算法中所使用的輸入數(shù)據(jù)是否對(duì)所有 的電池失效情況均敏感。在FNN運(yùn)算中，還存在算法的“保守性”一面，即寧可低估SOH，也放棄高估SOH所帶來的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，互動(dòng)方案在長(zhǎng)期運(yùn)行方式如圖2-2所示，一般為多次短時(shí)放電測(cè)試后加入一次中等深度放電，或者在短時(shí)放電測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)電池可能嚴(yán)重劣化時(shí)進(jìn)行一次中等放電予以確認(rèn)。如果被確認(rèn)預(yù)測(cè)結(jié)果正確，則通知控制中心；若證明預(yù)測(cè)有誤，則對(duì)預(yù)測(cè)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，本組數(shù)據(jù)對(duì)于SOH模型的完善有重要意義。

圖2-2 互動(dòng)方案的監(jiān)測(cè)過程

三、監(jiān)測(cè)裝置的模塊化設(shè)計(jì)

3.1監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)要求

圖3-1 監(jiān)測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)

3.2檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

檢測(cè)模塊主要包括5個(gè)部分：

1）? 電壓、電流、溫度的測(cè)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(cè)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(shí)效的數(shù)據(jù)采集模塊采用模塊化設(shè)計(jì)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(gè)模塊可單獨(dú)使用，亦可自由組合，能適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合。

電池組是由多個(gè)單電池串聯(lián)構(gòu)成的，一般的配置情況如表3-1所示。

電池的串聯(lián)給采樣電路的設(shè)計(jì)帶來困難，目前的主要解決方法有以下幾種：

1）? 繼電器切換 由于機(jī)械觸點(diǎn)的壽命和可靠性問題，不能使用在需要快速巡檢的場(chǎng)合。

2）? 分段采樣 將電池組分段，使得每段的電壓降低，使用常規(guī)的巡檢電路。由于每段之間需要隔離，帶來成本的提高。而且，如果發(fā)生電池開路，加在某一段的電壓仍然可能很高，同時(shí)還存在現(xiàn)場(chǎng)接線順序出錯(cuò)時(shí)可能損壞電路。

3）? 電阻分壓 在許多的設(shè)計(jì)中都使用了電阻分壓方法，由于可以為每一通道設(shè)定標(biāo)定系數(shù)，在一定程度上可以修正因電阻匹配精度不夠所帶來的共模誤差。該方法的長(zhǎng)期穩(wěn)定性受電阻的穩(wěn)定性制約，在高共模下很難達(dá)到需要的準(zhǔn)確度。BB公司INA117高共模運(yùn)算放大器電阻的匹配達(dá)到0.005%、溫度系數(shù)為1ppm時(shí)共模抑制比為86dB，在400V共模范圍的檢測(cè)誤差達(dá)到20mV，對(duì)于2V的VRLA電池，浮充電壓的檢測(cè)準(zhǔn)確度應(yīng)該達(dá)到10mV或更優(yōu)。顯然，在現(xiàn)實(shí)中很難用分壓方法獲得如此高的準(zhǔn)確度。

4）? 耐高壓電子開關(guān) 本課題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(chǎng)效應(yīng)管，克服了晶體管的管壓降問題，適合本文所要求的高耐壓、高精度、高速的要求。

高共模采樣電路原理如圖3-2所示，在A/D和CPU之間采用光耦合方式進(jìn)行電氣隔離。

圖3-2 高共模采樣電路

3.3內(nèi)阻模塊設(shè)計(jì)

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(cè)模塊的調(diào)度。用于向電池組注入內(nèi)阻測(cè)量的激勵(lì)信號(hào)。

內(nèi)阻模塊的設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)期工作的時(shí)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(lì)信號(hào)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(jì)中。

3.4控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊用于數(shù)據(jù)傳輸、處理和人機(jī)界面操作，具有遠(yuǎn)程（集中）管理RS-485（RS-232）接口、檢測(cè)模塊控制口、操作鍵盤、顯示面板、聲光報(bào)警及報(bào)警輸出接點(diǎn)。控制單元實(shí)時(shí)顯示電池?cái)?shù)據(jù)，智能分析數(shù)據(jù)，對(duì)異常的電池運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)報(bào)警。通過總線結(jié)構(gòu)控制檢測(cè)模塊工作，收集檢測(cè)模塊采集的數(shù)據(jù)。本單元對(duì)發(fā)生的事件進(jìn)行判斷處理并發(fā)出聲光報(bào)警，完成數(shù)據(jù)的通訊、存儲(chǔ)和查詢功能，這些功能供運(yùn)行人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)事件處理使用。

四、監(jiān)測(cè)裝置應(yīng)用

在本文的研究過程中，監(jiān)測(cè)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(chǎng)合得到實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了技術(shù)方案的合理性。

以電信局站直流系統(tǒng)為例，電池應(yīng)用有以下特點(diǎn)：??????

1、48V系統(tǒng)，每組由24只2V單體電池串聯(lián)，一般2組電池。

2、大容量電池，擺放合理，運(yùn)行環(huán)境較好。

3、難于進(jìn)行周期性容量核對(duì)放電。

4、一般有備用油機(jī)，停電后一段時(shí)間即啟動(dòng)油機(jī)，電池容量下降的問題更難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。

5、電池?cái)?shù)據(jù)可通過動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)傳送至中央控制室。

電池監(jiān)測(cè)采用了1個(gè)控制模塊帶2個(gè)采樣模塊和2個(gè)內(nèi)阻模塊，該系統(tǒng)接入動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)，與中心控制室聯(lián)網(wǎng)。

根據(jù)閥控鉛酸電池的一般使用情況和監(jiān)測(cè)管理的目的，監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面：

1） 浮充電壓測(cè)量 電池的運(yùn)行參數(shù)主要受充電機(jī)的控制，尤其是電池的浮充電壓，直接影響電池的浮充使用壽命。浮充電壓的相對(duì)差異很小，要求測(cè)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(cè)? 檢測(cè)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(cè)。

4） 內(nèi)阻測(cè)量? 在線測(cè)量每個(gè)單電池的內(nèi)阻值。

5） 模塊結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)要滿足蓄電池應(yīng)用的大部分應(yīng)用場(chǎng)合，包括電信、電力、UPS等不同電池配置的應(yīng)用。可以根據(jù)電池的不同數(shù)量、不同規(guī)格和不同的擺放形式來靈活配置，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝與維護(hù)。

6） 網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)化和信息化是電子設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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 檢測(cè)裝置應(yīng)用于對(duì)可靠性要求很高的場(chǎng)合，要求裝置長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

8） 電磁兼容 檢測(cè)裝置應(yīng)對(duì)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(cè)系統(tǒng)共同長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。同時(shí)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(shí)保持穩(wěn)定。

如圖3-1所示，裝置由控制模塊、檢測(cè)模塊、內(nèi)阻模塊、相關(guān)軟件和輔助部件構(gòu)成，一個(gè)控制模塊可接入多個(gè)檢測(cè)模塊，完成對(duì)不同只數(shù)和不同電壓規(guī)格的蓄電池組的監(jiān)測(cè)管理，可同時(shí)管理多組蓄電池。