蓄電池監(jiān)測裝置的研究

一、基于數(shù)字濾波器的內(nèi)阻測量技術(shù)

在線測量每個單電池的內(nèi)阻是檢測裝置的難題之一，測量準確度直接關(guān)系到分析的準確度。在線測量需要解決充電機和用電負載干擾的問題。對于大容量電池，電池內(nèi)阻是微歐級小信號，本文中采用了數(shù)字濾波技術(shù)提高測量準確度。

在線測量主要存在以下因素影響測量：

1）測量線耦合的高頻干擾信號；

2）50Hz工頻干擾；

3）充電機低頻紋波；

4）充電或放電的電壓緩變；

5）負載的不規(guī)則變動。

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

圖1-1

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

采用直接方式即可實現(xiàn)差分方程運算。圖1-2是采用橢圓濾波器設(shè)計的帶通濾波器，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。

表1是量程為50mΩ的實測數(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濾波器的實測數(shù)據(jù)（mΩ）

二、監(jiān)測裝置與充電機互動設(shè)計方案

監(jiān)測裝置與充電機互動方案是提高劣化程度預(yù)測準確性的創(chuàng)造性工作模式，其基本結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。

互動方案的監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

互動方案的主要原理是：電池監(jiān)測（Battery Monitoring Unit--BMU）進行日常的巡檢，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（Rectifier Unit--RU）配合進行部分放電測試。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)備的負荷功率，又避免了放電過程中由于電池問題帶來的停機風險。

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)，通過電池的劣化程度（SOH）預(yù)測模型運算，準確得知SOH。

此外，互動方案并不排斥停電后的被動測試，被動放電也可以觸發(fā)進行預(yù)測計算，出現(xiàn)放電即觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，在放電深度達到某個設(shè)定值時啟動一次預(yù)測運算。

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到長期連續(xù)準確檢測SOH的目的：

1）完全放電 電池在投運之前應(yīng)進行一次100%深度的放電，以確認該電池組能滿足設(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)可以相當準確地計算各電池的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，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，檢測裝置啟動FNN運算，預(yù)測電池的SOH。因為是預(yù)測，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)是否對所有 的電池失效情況均敏感。在FNN運算中，還存在算法的“保守性”一面，即寧可低估SOH，也放棄高估SOH所帶來的風險。

因此，互動方案在長期運行方式如圖2-2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)電池可能嚴重劣化時進行一次中等放電予以確認。如果被確認預(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重后，采取更換措施，更換之前進行一次完全放電，本組數(shù)據(jù)對于SOH模型的完善有重要意義。

圖2-2 互動方案的監(jiān)測過程

三、監(jiān)測裝置的模塊化設(shè)計

3.1監(jiān)測裝置設(shè)計要求

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

圖3-1 監(jiān)測裝置硬件結(jié)構(gòu)

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)采樣點種類及規(guī)模的需求，各個模塊可單獨使用，亦可自由組合，能適應(yīng)不同的監(jiān)測場合。

電池組是由多個單電池串聯(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 由于機械觸點的壽命和可靠性問題，不能使用在需要快速巡檢的場合。

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，同時還存在現(xiàn)場接線順序出錯時可能損壞電路。

3）電阻分壓 在許多的設(shè)計中都使用了電阻分壓方法，由于可以為每一通道設(shè)定標定系數(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。該方法的長期穩(wěn)定性受電阻的穩(wěn)定性制約，在高共模下很難達到需要的準確度。BB公司INA117高共模運算放大器電阻的匹配達到0.005%、溫度系數(shù)為1ppm時共模抑制比為86dB，在400V共模范圍的檢測誤差達到20mV，對于2V的VRLA電池，浮充電壓的檢測準確度應(yīng)該達到10mV或更優(yōu)。顯然，在現(xiàn)實中很難用分壓方法獲得如此高的準確度。

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

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)的任意頻率點和不同波形。

2）穩(wěn)定性和準確性 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、處理和人機界面操作，具有遠程（集中）管理RS-485（RS-232）接口、檢測模塊控制口、操作鍵盤、顯示面板、聲光報警及報警輸出接點?？刂茊卧獙崟r顯示電池數(shù)據(jù)，智能分析數(shù)據(jù)，對異常的電池運行情況進行及時報警。通過總線結(jié)構(gòu)控制檢測模塊工作，收集檢測模塊采集的數(shù)據(jù)。本單元對發(fā)生的事件進行判斷處理并發(fā)出聲光報警，完成數(shù)據(jù)的通訊、存儲和查詢功能，這些功能供運行人員進行現(xiàn)場事件處理使用。

四、監(jiān)測裝置應(yīng)用

在本文的研究過程中，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)用場合得到實際應(yīng)用，驗證了技術(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：

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，運行環(huán)境較好。

3、難于進行周期性容量核對放電。

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

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

電池監(jiān)測采用了1個控制模塊帶2個采樣模塊和2個內(nèi)阻模塊，該系統(tǒng)接入動力環(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 電池的運行參數(shù)主要受充電機的控制，尤其是電池的浮充電壓，直接影響電池的浮充使用壽命。浮充電壓的相對差異很小，要求測量電路具有高準確度；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)要滿足蓄電池應(yīng)用的大部分應(yīng)用場合，包括電信、電力、UPS等不同電池配置的應(yīng)用?？梢愿鶕?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)場安裝與維護。

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。要適于遠程管理和集中監(jiān)控。

7）可靠性 檢測裝置應(yīng)用于對可靠性要求很高的場合，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的抗干擾能力，在大功率電源裝置投切時保持穩(wěn)定。