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

　　摘要：通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)作為通信電源運(yùn)行維護(hù)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(jì)進(jìn)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(jìn)方案。最后通過實(shí)驗(yàn)檢測結(jié)果證明了該設(shè)計(jì)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(dú)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(kuò)展就可以成為單獨(dú)使用的蓄電池在線檢測儀。本文詳細(xì)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(jì)。

　　2 蓄電池監(jiān)控單元的整體實(shí)現(xiàn)方案

　　蓄電池監(jiān)控一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)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(shí)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(jī)AT90S8515及大容量8KB的FLASHROM,不但保證了對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速分析處理，而且實(shí)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(zhǔn)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(jī)接口。

　　蓄電池監(jiān)控單元中設(shè)有RS485的通信接口，與前端機(jī)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(shí)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(jìn)行詳細(xì)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(shí)時的在線監(jiān)測蓄電池的剩余電量，將有重要的實(shí)際意義。

　　蓄電池是個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不同負(fù)載條件下運(yùn)行時，蓄電池實(shí)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(shí)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：

　?。?）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(fù)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(zhǔn)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。

　?。?）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(diǎn)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(zhǔn)確預(yù)測剩余電量。另外開路電壓是電池?zé)o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(shí)時在線測量。

　　（3）定時放電法：通過對蓄電池施加一負(fù)載，計(jì)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(shí)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(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)重影響電池的使用壽命。

　?。?）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(jìn)行了測試，實(shí)驗(yàn)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(dá)到88%.因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)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(jìn)行，內(nèi)阻逐步減?。浑S著放電過程的進(jìn)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(diǎn)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。