蓄电池在线监测系统的设计与实现

蓄电池在线监测系统的设计与实现李立伟　邹积岩(大连理工大学电气系　116024) 摘　要　对直流系统传统的蓄电池监测方法进行了比较分析,提出了一种直流系统蓄电池在线监测系统,通过实时测量蓄电池组的单体电池电压、温度、内阻及充放电电流,实现了蓄电池组运行参数的实时监测,着重介绍了该系统的设计原理以及软、硬件设计。

关键词　在线监测　单体电池电压　单体电池温度　单体电池内阻1　概述直流操作电源系统是电力系统中继电保护装置、信号装置、照明装置等重要负载的供电电源,其供电的可靠性直接影响变电站的安全运行。

直流操作电源的后备电源一般采用蓄电池组,正常运行时由充电机浮充充电,当系统停电时,由蓄电池组提供后备电源。

为保证直流操作电源供电的可靠性,必须对蓄电池组运行参数进行全面的在线监测。

目前,电力系统中蓄电池的常用检测方法就是平时测量单体电池的端电压及每年进行的容量核对性放电,但平时浮充状态下的电池端电压测量本身并不能真实反映电池的性能状况,即使性能变差的电池在浮充时也能测得合格的端电压;而一旦供电系统停电、蓄电池放电时,就可能无法保证事故状态下的放电要求,从而扩大事故范围。

由于蓄电池的容量与电池内阻存在很强的相关性,一般而言,电池的容量越大,内阻就越小,因此可以通过对蓄电池内阻的测量,对电池的容量进行在线评估。

在我们研制的蓄电池在线监测系统中,通过实时测量蓄电池组的单体电池电压、温度、内阻及充放电电流,实现对蓄电池组运行参数的实时监测,并可通过通信网络将蓄电池组全部信息远传至监控中心机房,实现变电站直流操作电源系统的无人值守。

2　电池运行参数测量原理211　单体电池电压测量在大容量的直流操作电源系统中,蓄电池一般采用108节左右电压为2V的单体电池串联而成,单体电池两端存在较高的共模电压,如接在直流母线正端的蓄电池两端对母线负端的共模电压分别为216V、214V,大大超过一般电子模拟开关如CD4051、MAX358等的共模电压输入范围。

为消除共模电压的影响,一般采用电磁继电器进行轮流切换,来实现单体电池电压的测量。

但电磁继电器的寿命一般为105次,动作时间为10ms,不适合快速、长时间的测量,而Photo MOS继电器为无触点开关,但由于目前成本较高,也不适合大面积推广。

在本系统中,采用了BURR-BROWN公司推出的低价格、高精度的差分放大器INA148,在±15V电源供电时,其最大共模峰值输入电压为±500V,单体电池电压测量原理框图如图1所示。

图1　单体电池电压测量原理框图212　单体电池温度测量除了电化学反应的吸热和放热外,在充放电过程中,由于电池内阻的存在,电池内部产生的热量也会引起电池的温度发生变化。

在同样电流的条件下,电池内阻不同,电池内部产生的热量不同,电—7—・研究与开发・ 《电工技术杂志》2002年第11期池的温度就不同。

电池温度测量是在电池负极柱根部安置温度传感器,通过测量在线电池的温度,找出温度异常的电池。

这实际上是将电池的内阻值通过温度间接地反映出来。

研究表明:无论是恒流放电、限压恒流充电还是浮充状态,荷电量最小的电池温度最高。

在本系统中,选用了DALLAS 公司生产的数字式温度传感器DS1820。

与其他温度传感器相比,DS1820具有如下特性:①独特的单线接口技术,DS1820在与单片机连接时仅需要一个I/O 口即可实现与单片机的双向通信。

②DS1820每个器件具有唯一的64位光刻标识码,支持多点组网功能,多个DS1820可并联在一起,实现多点温度测量。

③DS1820在使用中不需要任何外围元件。

④测量范围为-55～+125℃,固有测温分辨率为±015℃。

⑤测量结果以9位数字量串行传送。

213　内阻测量21311　测量方法简介内阻测量是一个比较复杂的过程,目前常见的方法主要有密度法、开路电压法和直流放电法。

密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻,显然不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。

开路电压法通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻,精度较差,甚至会得到错误的结论。

而直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流(一般为几十到上百安培)放电,测量电池上的瞬间电压降,通过欧姆定律计算出电池内阻。

此方法在实践中得到了广泛应用。

但直流放电法存在如下缺点:①由于必须在静态或脱机状态下才能实现直流法的测量,即无法真正实现在线测量,这样就不可避免地带来设备运行安全性的隐患;如果静态,如此大的电流会对直流系统产生不利影响;如果在脱机状态下测量时间较长,造成蓄电池的脱机时间较长,则安全性隐患就会更大。

②由于是大电流放电,有的甚至达到100A 以上,会对蓄电池造成较大损害,如果为监测蓄电池而频繁地进行测量,对蓄电池的损害将会积累,从而影响蓄电池的容量及寿命。

③由于多出一个体积较大的负载,既会造成现场安装复杂,又会增加设备维护的工作量,影响日常维护的便捷性。

在此系统中,采用交流法进行在线测量蓄电池的内阻,即对电池注入一个低频交流电流信号,测出蓄电池两端的低频电压U o 和流过的低频电流I S 以及两者的相位差α,根据公式Z =U o /I S ,R =Z cosα,计算出电池的内阻。

采用交流法无需放电,不用使蓄电池组处于静态或脱机状态,可以实现完全的在线监测管理,避免了对设备运行安全性的影响,同时由于施加的低频信号频率很低,施加的交流电流也很小,故不会对直流系统的性能造成影响,并且不需要负载箱。

从以上的比较可以发现,交流内阻测量法具有很多显著的优点,如体积小、对电池无损害、适合在线快速测量、性能价格比高等。

21312　交流法测量原理框图系统内阻测量部分的硬件原理框图如图2所示,主要由低频交流信号发生器、耦合驱动器、差分放大器、低通有源滤波器、相位检测电路、电压电流取样电路、模拟转换开关、A/D 转换器、单片机等组成。

图2　交流法内阻测量硬件框图214　蓄电池充放电电流的测量蓄电池充放电电流的测量相对比较简单,在此系统中采用了霍尔电流传感器,它将电池充放电电流转换成-4～+4V 的直流电压,直接经A/D 转换即可。

3　系统硬件框图系统硬件框图如图3所示,主要由MC68332及其外围电路、键盘显示模块、声光报警及报警输出接点模块、RS —232/485/422通信接口模块、单体电池电压采集模块、单体电池内阻采集模块、单体电池温度采集模块以及电池充放电电流采集模块等构成。

其中单体电池电压采集模块、单体电池内—8—《电工技术杂志》2002年第11期 蓄电池在线监测系统的设计与实现阻采集模块、单体电池温度采集模块可根据实际情况灵活扩充,实现对不同只数和不同电压规格的蓄电池组的监测管理。

4　系统软件设计根据系统的工作过程和设计需要,为提高软件的可读性和编程效率,采用模块化编程。

采用ANSI C 语言,在SDS65集成环境中编辑、编译、链接后,通过BDM 方式实现在线仿真调试,大大提高了编程和调试效率。

主要包括主程序、单体电池电压采集程序、单体电池内阻采集程序、单体电池温度采集程序、串行口通信服务程序、时钟处理程序等。

主程序流程图如图4所示,单体电池内阻采集程序流程图如图5所示。

5　系统主要技术性能指标及参数根据上述设计思想开发的样机,经实际测试,主要技术性能指标及参数如下:(1)电压测量　最多监测电池数目为224只,单体电池电压测量范围为0～16V ,电压测量精度为±012%。

(2)内阻测量　内阻测量范围为0～30m Ω,内阻测量精度为±3%。

(3)温度测量　温度测量范围为-55～+125℃,温度测量精度为±015℃。

(4)电流测量　电流测量范围为0～2000A ,电流测量精度为±1%。

6　结束语本文对直流系统蓄电池在线监测系统的硬件和软件设计进行了详细分析。

通过该系统实现了蓄电池在线运行参数的实时监测,对提高直流系统的安全运行、供电系统的可靠性和自动化水平有着十分重要的意义。

该系统做适当更改后也可应用在110V 直流操作电源系统和48V 通信电源系统以及其他需要采用电池作为后备电源的系统中。

参考文献1　朱松然1铅蓄电池实用手册1北京:机械工业出版社,19922　徐曼珍1阀控式密封蓄电池及其在通信中的应用1北京∶人民邮电出版社,1998Design and R ealization of B attery On -line Monitoring SystemL i L iwei(Dalian University of Technology )Abstract After comparing and analyzing conventional monitor 2ing methods of battery in DC system ,this paper presents a kind of battery on 2line monitoring system ,it realizes monitoring working parameters of battery groups in real time by measuring the voltage ,temperature and internal impedance of single cell ,charge current and discharge current in real time ,and intro 2duces its principles ,hardware and software design in detail 1K eyw ords on 2line monitoring voltage of single cell temper 2ature of single cell internal impedance of single cell收稿日期:20020902—9—蓄电池在线监测系统的设计与实现 《电工技术杂志》2002年第11期。