论文部分内容阅读
【摘 要】阀控铅酸蓄电池作为直流系统后备电源被广泛的应用在变电站中，但由于在具体的使用过程中缺乏完善的監测手段，导致直流电源常常由于电池问题引发一些不必要的事故。设计选择一种有效的蓄电池在线监测方案，通过监控软件准确地掌握蓄电池的内阻、电压以及剩余容量等参数显得十分重要，论文介绍和分析了蓄电池剩余容量在线监测设计发展及各类方法。
【关键词】蓄电池内阻；在线监测；剩余容量
一、蓄电池在线监測系统功能完善方案
传统核对性放电设备普遍都是采用电阻丝对电池进行放电，而且都是人工操作，它的程序很繁琐，还存在一定人身危险，现在这种传统的核对性放电试验正在被逐步淘汰。单一频率的交流测试法几乎可以用来测量所有种类电池；交流法的测量对电池的本身不会造成大的损害。单频率的交流测试法的缺点是测量精度比不上直流内阻测试法，其测量精度可能会受纹波电流影响，有时还受到电磁波电流干扰，测试电路的抗干扰能力还需要加强。使用单一频率交流法来提取电池阻抗信息来判断蓄电池剩余容量（SOC）以及健康状态的判据还不是很充足，且单一频率的方法难以平衡测量的准确性、复杂度的等因素。上述方法都各有优缺点，我们要根据不同的应用情况和测试要求来选择在线监测的方法，可以综合考虑采用两种或两种以上的方法进行判断和分析，以完善对蓄电池组的在线监测水平。
二、几种常用的剩余容量预测方法
（一）密度法
蓄电池剩余容量和其内部电解液密度密切相关。其电解液密度由硫酸铅、氧化铅和铅三者决定。通过测量电解液的密度值，可间接推算其剩余电量。但在电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例发生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。另外密度法常用于开口式铅酸电池内阻的测量，不适合密封式蓄电池内阻的测量。
（二）开路电压法
开路电压法是通过测量蓄电池的直流端电压来估计蓄电池的剩余容量，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，在浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。
（三）放电法
通过对蓄电池施加一负载，计算单位时间内的电池端电压变化率，根据变化率的大小推算剩余电量。变化量小意味着剩余电量大，否则反之。为了缩短测量时间，需要对蓄电池大电流放电，而大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤，影响电池的使用寿命。另外，此方法也不适合在线测量。
（四）交流注入法
通过对蓄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和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出内阻。这种方法由于测试时不需要将蓄电池系统退出运行，可以实现在线检测。但这种方法容易受到各种因素的干扰以及本身是一个很大的容性器件，造成它的测量精度不高。
三、交流纹波法测量测试方案的实施
（一）硬件设计
1.单片机Atmega16
本系统采用Atmel公司的新一代AVR单片机（Atmega16）是一种功能非常强大的单片机，片内不仅集成了许多外围接口功能电路，而且运算速度快、功耗低、可靠性高，非常适合在智能仪器仪表应用。该单片机具有如下优越性能：
（1）超功能精简指令，高速度、低功耗，每一条指令执行速度可达50ns；
（2）片内有16kBFlash程序存储器，512字节EEPROM数据存储器，1k字节SRAM存储器；
（3）32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器；
（4）三个具有比较模式的灵活定时器/计数器（T/C），片内/外中断，内置看门狗Watchdog定时器，防止程序跑飞；
（5）8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC；
（6）工作电压范围为2.7～5.5V，电源抗干扰性能较强。
2.前置放大电路
由于电池的内阻很小，一般为几十微欧到几十豪欧，充电设备施加到蓄电池上的纹波电流安培级而纹波电压仅为几十毫伏，因此在本装置中差动放大器采用高精密的仪器用放大器AD620，其内部核心为三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，噪声系数小，只要外接一个电阻可以设置1～3000的增益。
3.鉴相处理电路
由前面的分析，交流纹波法预测蓄电池内阻，需要测量纹波电压U、纹波电流I及二者之间的的相位差θ，由于纹波电压信号是毫伏级的交流信号，需要进行放大、交流采样等一系列软硬件处理才能得出其有效值，另外还需专门电路求相位差θ并将它转化为cosθ处理，既影响了精度，又增加了系统的复杂性。故采用鉴相处理的方法，即将蓄电池两端上的交流纹波电压信号与相应的经过一定处理措施所测量的正弦电流信号相乘，通过滤波器滤掉交流成分，再将cosθ映射到内阻中。
4.A/D转换器
单片机Atmega16虽然内置8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，但无法满足本套装置的测量精度。为获得较高的剩余电量预测精度，被测值必须有足够多的有效位数，为此我们取4位有效数字，这样就要求A/D转换器必须在14位以上。由于蓄电池内阻、电压均为变化缓慢的低时变信号，所以只需选低速串行A/D转换器，为此选用AD7715、AD7715为16位A/D转换器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的测量精度，另外还有SPI接口，便于与单片机高速通信。
（二）软件设计
本套测试系统中的Atmega16单片机采用目前流行的CodeVision编译器进行软件设计，编译语言为嵌入式C语言，包括主程序、液晶显示程序、时钟驱动/设置程序、数据存储及处理程序、A/D程序、串口通讯程序等。
四、高噪声情况下在线测量方法的改进
测量蓄电池剩余容量具有较高精度，离线测量时误差优于7%。然而在实时的在线测量中，却发现实际所测得的蓄电池剩余容量精度不尽人意，有时误差甚至超过10%。是什么原因引起这种误差呢？为此，我们对蓄电池的几种工作状态，即供电正常情况下的浮充状态，市电故障情况下的放电状态以及逆变器故障时的状态分别进行了测试，发现在逆变器故障情况下，可以达到与离线测试时近似的精度。至此，可以断定精度降低的原因是由逆变器反馈噪声所引起的，为此，我们尝试采用低通滤波器的方法来提高测试精度，效果很好。
五、结语
在分析研究了当前几种常见蓄电池剩余容量预测方法的基础上，本文提出了一种利用充电机交流纹波来获得蓄电池容量相关信息的新方法———交流纹波法，并详尽的阐述了其硬件与软件的设计。通过本装置真正实现了蓄电池剩余容量在线实时监测，对提高直流系统的安全运行、提高供电系统的可靠性和自动化程度，有着十分重要的意义。
参考文献：
[1]史相玲.蓄电池在线监测系统的研究[D].河北：河北农业大学，2009，12.
[2]高鹏，崔君莹，白瑞雪.阀控密封式铅酸善电池的原理及其运行维护[J].电源技术应用，2009（11）：23-25.
【关键词】蓄电池内阻；在线监测；剩余容量
一、蓄电池在线监測系统功能完善方案
传统核对性放电设备普遍都是采用电阻丝对电池进行放电，而且都是人工操作，它的程序很繁琐，还存在一定人身危险，现在这种传统的核对性放电试验正在被逐步淘汰。单一频率的交流测试法几乎可以用来测量所有种类电池；交流法的测量对电池的本身不会造成大的损害。单频率的交流测试法的缺点是测量精度比不上直流内阻测试法，其测量精度可能会受纹波电流影响，有时还受到电磁波电流干扰，测试电路的抗干扰能力还需要加强。使用单一频率交流法来提取电池阻抗信息来判断蓄电池剩余容量（SOC）以及健康状态的判据还不是很充足，且单一频率的方法难以平衡测量的准确性、复杂度的等因素。上述方法都各有优缺点，我们要根据不同的应用情况和测试要求来选择在线监测的方法，可以综合考虑采用两种或两种以上的方法进行判断和分析，以完善对蓄电池组的在线监测水平。
二、几种常用的剩余容量预测方法
（一）密度法
蓄电池剩余容量和其内部电解液密度密切相关。其电解液密度由硫酸铅、氧化铅和铅三者决定。通过测量电解液的密度值，可间接推算其剩余电量。但在电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例发生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。另外密度法常用于开口式铅酸电池内阻的测量，不适合密封式蓄电池内阻的测量。
（二）开路电压法
开路电压法是通过测量蓄电池的直流端电压来估计蓄电池的剩余容量，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，在浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。
（三）放电法
通过对蓄电池施加一负载，计算单位时间内的电池端电压变化率，根据变化率的大小推算剩余电量。变化量小意味着剩余电量大，否则反之。为了缩短测量时间，需要对蓄电池大电流放电，而大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤，影响电池的使用寿命。另外，此方法也不适合在线测量。
（四）交流注入法
通过对蓄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和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出内阻。这种方法由于测试时不需要将蓄电池系统退出运行，可以实现在线检测。但这种方法容易受到各种因素的干扰以及本身是一个很大的容性器件，造成它的测量精度不高。
三、交流纹波法测量测试方案的实施
（一）硬件设计
1.单片机Atmega16
本系统采用Atmel公司的新一代AVR单片机（Atmega16）是一种功能非常强大的单片机，片内不仅集成了许多外围接口功能电路，而且运算速度快、功耗低、可靠性高，非常适合在智能仪器仪表应用。该单片机具有如下优越性能：
（1）超功能精简指令，高速度、低功耗，每一条指令执行速度可达50ns；
（2）片内有16kBFlash程序存储器，512字节EEPROM数据存储器，1k字节SRAM存储器；
（3）32个通用I/O口线，32个通用工作寄存器；
（4）三个具有比较模式的灵活定时器/计数器（T/C），片内/外中断，内置看门狗Watchdog定时器，防止程序跑飞；
（5）8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC；
（6）工作电压范围为2.7～5.5V，电源抗干扰性能较强。
2.前置放大电路
由于电池的内阻很小，一般为几十微欧到几十豪欧，充电设备施加到蓄电池上的纹波电流安培级而纹波电压仅为几十毫伏，因此在本装置中差动放大器采用高精密的仪器用放大器AD620，其内部核心为三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，噪声系数小，只要外接一个电阻可以设置1～3000的增益。
3.鉴相处理电路
由前面的分析，交流纹波法预测蓄电池内阻，需要测量纹波电压U、纹波电流I及二者之间的的相位差θ，由于纹波电压信号是毫伏级的交流信号，需要进行放大、交流采样等一系列软硬件处理才能得出其有效值，另外还需专门电路求相位差θ并将它转化为cosθ处理，既影响了精度，又增加了系统的复杂性。故采用鉴相处理的方法，即将蓄电池两端上的交流纹波电压信号与相应的经过一定处理措施所测量的正弦电流信号相乘，通过滤波器滤掉交流成分，再将cosθ映射到内阻中。
4.A/D转换器
单片机Atmega16虽然内置8路10位具有可选差分输入级可编程增益（TQFP封装）的ADC，但无法满足本套装置的测量精度。为获得较高的剩余电量预测精度，被测值必须有足够多的有效位数，为此我们取4位有效数字，这样就要求A/D转换器必须在14位以上。由于蓄电池内阻、电压均为变化缓慢的低时变信号，所以只需选低速串行A/D转换器，为此选用AD7715、AD7715为16位A/D转换器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的测量精度，另外还有SPI接口，便于与单片机高速通信。
（二）软件设计
本套测试系统中的Atmega16单片机采用目前流行的CodeVision编译器进行软件设计，编译语言为嵌入式C语言，包括主程序、液晶显示程序、时钟驱动/设置程序、数据存储及处理程序、A/D程序、串口通讯程序等。
四、高噪声情况下在线测量方法的改进
测量蓄电池剩余容量具有较高精度，离线测量时误差优于7%。然而在实时的在线测量中，却发现实际所测得的蓄电池剩余容量精度不尽人意，有时误差甚至超过10%。是什么原因引起这种误差呢？为此，我们对蓄电池的几种工作状态，即供电正常情况下的浮充状态，市电故障情况下的放电状态以及逆变器故障时的状态分别进行了测试，发现在逆变器故障情况下，可以达到与离线测试时近似的精度。至此，可以断定精度降低的原因是由逆变器反馈噪声所引起的，为此，我们尝试采用低通滤波器的方法来提高测试精度，效果很好。
五、结语
在分析研究了当前几种常见蓄电池剩余容量预测方法的基础上，本文提出了一种利用充电机交流纹波来获得蓄电池容量相关信息的新方法———交流纹波法，并详尽的阐述了其硬件与软件的设计。通过本装置真正实现了蓄电池剩余容量在线实时监测，对提高直流系统的安全运行、提高供电系统的可靠性和自动化程度，有着十分重要的意义。
参考文献：
[1]史相玲.蓄电池在线监测系统的研究[D].河北：河北农业大学，2009，12.
[2]高鹏，崔君莹，白瑞雪.阀控密封式铅酸善电池的原理及其运行维护[J].电源技术应用，2009（11）：23-25.