通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設計

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，同時加以簡單擴展就可以成為單獨使用的蓄電池在線檢測儀。本文詳細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)控模塊的設計。

2 蓄電池監(jiān)控單元的整體實現(xiàn)方案

蓄電池監(jiān)控一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點問題，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AT90S8515及大容量8KB的FLASH ROM，不但保證了對大量數(shù)據(jù)進行高速分析處理，而且實現(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接口。
蓄電池監(jiān)控單元中設有RS485的通信接口，與前端機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)控模塊實際是作為一個智能設備與主監(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行詳細的介紹。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備的正常工作的情況下，實時的在線監(jiān)測蓄電池的剩余電量，將有重要的實際意義。
蓄電池是個復雜的電化學系統(tǒng)，它在不同負載條件下運行時，蓄電池實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測方法

目前預測蓄電池剩余電量的方案最有代表性的有如下幾種 ：
（1）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，從而導致用密度值推算剩余電量不再準確。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，這一方法難以應用。
（2）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，因此也就無法準確預測剩余電量。另外開路電壓是電池無載時的穩(wěn)態(tài)電壓，因此只能在電池靜置時方可測量，不適合實時在線測量。
（3）定時放電法：通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內(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)生嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命。
（4）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電池進行了測試，實驗結(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)可以達到88%。因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預測其剩余電量。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行，內(nèi)阻逐步減小；隨著放電過程的進行，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。

3.2 內(nèi)阻法預測剩余電量的實施方案

內(nèi)阻法預測剩余電量的具體實施方法是：首先將蓄電池充滿電（以2V蓄電池為例，充電至2.35V，浮沖電流至10mA），然后以0.1C的放電率對電池放電，記錄下放電過程中內(nèi)阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢后（2V蓄電池放電至1.75V）即可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系。將此曲線存入EPROM中，在以后測試同型號同規(guī)格的電池時，單片機根據(jù)在線測到的電池內(nèi)阻值，通過查表計算，得出其剩余電量值。因此，此種方法的關(guān)鍵在于如何在線測得蓄電池的內(nèi)阻，其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is，然后檢測電池端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角 θ。顯然三者之間的關(guān)系為
，以及 ，R即為我們所要獲取的電池內(nèi)阻值。其具體實現(xiàn)方案如圖3所示：

圖3　內(nèi)阻法預測剩余電量的實現(xiàn)
其中300Hz信號發(fā)生電路由14位二進制串行計數(shù)/分頻器CD4060以及低通濾波電路組成，具體電路如圖4所示。恒流功放部分采用功率可達4W的音頻功率放大器，具體的使用可參見文獻[3]。
圖4　300Hz信號發(fā)生電路
4 蓄電池單體電壓的測量

《通信電源與空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求》中規(guī)定蓄電池檢測裝置必須測量每只蓄電池的單體電壓。由于蓄電池串聯(lián)起來為通信設備供電，每只蓄電池對地的電位都不相同，其最高的共模電壓可達60V，對于一般的多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器來說，難以承受。因此，要對其進行測試，首先必須對浮地信號做共地處理或采取隔離措施。傳統(tǒng)的比較成熟的測試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理，基本原理如圖5 所示。

圖5　傳統(tǒng)的單體電壓測試方法
其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到A區(qū)，對電解電容充電；等到需要測該蓄電池的電壓時，把繼電器閉合到B區(qū)，將電解電容和蓄電池隔離開來，由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號，因此，測試部分只需測電解電容上的電壓，即可得到相應的蓄電池電壓。這種方法無需采用線性光隔離等比較昂貴的器件，具有原理簡單、造價低的優(yōu)點。但是由于繼電器存在著機械動作慢，使用壽命低等缺陷，實踐證明，根據(jù)這一原理實現(xiàn)的檢測裝置在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。
4.1 硬件直接相減的方法的實現(xiàn)

硬件直接相減法的思想來源于數(shù)學上減法的概念。試想，如果用高差模增益的運放將蓄電池上的高電位按比例壓縮，即：首先將n號蓄電池的高端電位按照Rn1/Rn2的比例壓縮至模擬電子開關(guān)可以承受的程度，測量得到壓縮后的電壓值，然后由軟件將壓縮系數(shù)乘回去，即可得到n號蓄電池的高端電位,同理可得到第n號蓄電池的低端電位，然后通過軟件將兩者相減，即可得到第n號蓄電池的單體電壓。從理論上分析這種方法是可行的，但在實際中卻難以實現(xiàn)。比如，40V的電位，通過測試精度為0.1%的測試系統(tǒng)，其絕對誤差為±40mv，而38V的電位，通過同樣測試精度的系統(tǒng)，其絕對誤差為±38mv，兩者之間的絕對誤差累積為±78mv，顯然，其相對誤差可達到8%，這遠遠難以達到通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的要求。因此，這種減法器的方法在工程上是不可能實現(xiàn)的，但其思想?yún)s十分具有參考價值：如果能夠解決誤差的連續(xù)累積問題，就有可能得到滿意精度的測量結(jié)果。為此我們用兩片高差模增益放大器設計了一種硬件直接相減的電路，其原理電路如圖6所示。

圖6　采用硬件直接相減法測量單體電壓的電路
圖6中，ICL7650是差模增益高達105/mV的運算放大器，從而能夠保證運算放大器的同相輸入端和反相輸入端的電位相等，都等于地電位。Rnp為保證運算放大器工作的平衡電阻。Vna為n號蓄電池的高端電位，Vnb為n號蓄電池的低端電位。
其基本原理如下：運算放大器A構(gòu)成了一個反向放大器，即：
（1）

運算放大器B構(gòu)成一個加法器，即：
（2）
由式（2）可以看出，只要合理的選擇Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的阻值，使其滿足條件：

，即 （3）
則式（2）可以化為：
（4）

從而實現(xiàn)了硬件的直接相減，避免了誤差的累積。

4.2 元件參數(shù)的選擇

通信用蓄電池通常由24節(jié)單體電壓為2V的蓄電池組構(gòu)成。其最高的共模電壓可達60V左右，要將其移到2V左右的對地電壓，并保證運算放大器的工作安全性。因此
的值選擇在25~35之間比較合適，考慮到電阻的熱穩(wěn)定性等其他因素，在這里我們選擇Rn2、Rn3的電阻值為1.5kΩ,Rn1、Rn4和Rn5選擇為50kΩ,同時由于在這個數(shù)量級的電阻難以保證較高的精度，因此應加入5kΩ的電位計加以調(diào)整。

5 蓄電池單體溫度的測量

蓄電池體的溫度是VRLA蓄電池的重要標志參數(shù)，對于蓄電池的剩余容量、工作壽命都有著重要的影響。蓄電池體溫度的測量我們采用了Dallas公司的數(shù)字式溫度傳感器DS1620，它具有測溫范圍寬、讀數(shù)穩(wěn)定、與單片機接口方便等優(yōu)點，其測溫分辨率可達到0.50C,如果經(jīng)過軟件調(diào)整，還可以達到更高的精度0.10C，對于蓄電池單體電池溫度的測量來說，十分適用。DS1620的結(jié)構(gòu)及其測溫原理可參考文獻[6]，在此不再作具體的詳述。下文僅對軟件實現(xiàn)0.10C精度的方法加以說明。

5.1 測溫原理的進一步分析

要獲得較高的測溫方案，除了需要知道由DS1620直接讀取的溫度值以外，還必須知道該溫度下計數(shù)器的值和該溫度下每增加10C的計數(shù)值，后者可以從非線性累加器讀入。非線性累加器電路用以補償溫度振蕩器的非線性作用，它有助于獲得較高的測溫精度。
用單片機控制DS1620，將經(jīng)過修正的溫度直接讀取值轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)（以0.50C為單位），記為temp_read。同時，讀取計數(shù)門關(guān)閉后保存在計數(shù)器中的值，記為count_remain.然后讀取非線性累加器中的值，作為該溫度下每攝氏度的計數(shù)值，記為count_per_c。以上幾個參數(shù)確定以后，可以用下式計算得到精度為0.10C的實際溫度T，即：
（5）


5.2 軟件方法實現(xiàn)0.10C的測溫分辨率

根據(jù)以上的分析，通過軟件編程，即可用單片機控制DS1620實現(xiàn)0.10C的測溫分辨率，其軟件流程圖如圖7所示。

圖7　實現(xiàn)0.10C的測溫分辨率程序流程
其具體的實現(xiàn)過程如下：
（1） 發(fā)送“寫配置”指令初始化DS1620，將其設置為單次溫度轉(zhuǎn)換方式以及處理器控制狀態(tài)，指令為0CH、03H；
（2） 發(fā)“開始轉(zhuǎn)化”指令（EEH）；
（3） 發(fā)“讀配置”指令，讀取狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)。重復該指令直到DONE位為“1”，這意味著溫度轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成；
（4） 發(fā)“讀取溫度”指令，從溫度寄存器讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為整數(shù)temp_read；
（5） 發(fā)“讀計數(shù)器”指令，從計數(shù)器讀取9比特值，即count_remain；
（6） 將非線性累加器中的值讀入計數(shù)器，此時外部單元與DS1620無數(shù)據(jù)交換；
（7） 重發(fā)“讀計數(shù)器”指令，讀取此時計數(shù)器的值，即count_per_c；
（8） 由公式（5-10）計算得到精確的溫度值。

6 實驗結(jié)果

在以下實驗結(jié)果中，各種電量的測試采用的標準源及檢定裝置為ST-9020電能表現(xiàn)場檢測儀（0.01）級；測試用蓄電池為南都公司的GFM200，并將其在額定負載情況下以0.1C的放電率恒流放電所得到的容量作為標準容量；測試環(huán)境溫度均為240C。蓄電池剩余容量測試結(jié)果如表1所示；蓄電池單體電壓測試結(jié)果如表2所示。
表1　蓄電池剩余容量測試結(jié)果表2　蓄電池單體電壓測試結(jié)果
從以上的測試結(jié)果可以看出系統(tǒng)具有較高的測量精度，完全可以滿足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定。從而證明了本文所提出的本地用通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊設計方案的可行性，具有工程實用價值。

參考文獻

[1] 鄭偉，通信用蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法[J]，南京郵電學院學報，1997，3.
[2] 高明裕，蓄電池剩余容量在線測試[J]，電測與儀表，2000，9.
[3] 李廣第，單片機基礎[Ｍ]，北京航空航天大學出版社，1996.
[4] YDN023—1996，通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].
[5] 劉希禹，通信電源與空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)[Ｍ]，北京人民郵電出版社，1999.
[6] 陳汝全，電子技術(shù)常用器件應用手冊[J]，北京機械工業(yè)出版社，2001.