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

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(gè)相對(duì)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(shí)加以簡(jiǎn)單擴(kuò)展就可以成為單獨(dú)使用的蓄電池在線(xiàn)檢測(cè)儀。本文詳細(xì)介紹了一套具有兩級(jí)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(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)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(xiàn)檢測(cè)、均/浮充方式轉(zhuǎn)換、單體端電壓測(cè)試及落后電池檢出、電池體溫度測(cè)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FLASH ROM，不但保證了對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速分析處理，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的保存查詢(xún)。
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(duì)精度均有特殊的要求，（比如對(duì)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量通常為mΩ級(jí)，且必須有足夠的位數(shù)），同時(shí)由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為緩慢變化的低時(shí)變信號(hào)，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(dòng)校零、量程自動(dòng)校準(zhǔn)的功能，從而可以保證很高的測(cè)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(shì)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(gè)智能設(shè)備與主監(jiān)控模塊聯(lián)系的。下面分別對(duì)內(nèi)阻檢測(cè)模塊、單體電壓測(cè)試模塊、單體溫度測(cè)試模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。由于電流測(cè)試模塊與主處理單元的直流數(shù)據(jù)采集與處理類(lèi)似，在此不再贅述。

3 蓄電池剩余容量的在線(xiàn)檢測(cè)

蓄電池的剩余容量是用戶(hù)最為關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，它與整個(gè)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(shí)的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)蓄電池的剩余電量，將有重要的實(shí)際意義。
蓄電池是個(gè)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(shí)，蓄電池實(shí)際可供釋放的電量也不同。隨著蓄電池使用時(shí)間的增加，其實(shí)際可釋放的電量也將下降。過(guò)去，常依據(jù)蓄電池的端電壓來(lái)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(lái)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(cè)方法

目前預(yù)測(cè)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(guò)測(cè)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(shí)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(shí)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。
（2）開(kāi)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(dòng)勢(shì)的關(guān)系。因此，通過(guò)測(cè)量蓄電池的開(kāi)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(shí)，開(kāi)路電壓變化不明顯，因此也就無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余電量。另外開(kāi)路電壓是電池?zé)o載時(shí)的穩(wěn)態(tài)電壓，因此只能在電池靜置時(shí)方可測(cè)量，不適合實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量。
（3）定時(shí)放電法：通過(guò)對(duì)蓄電池施加一負(fù)載，計(jì)算單位時(shí)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(xiàn)測(cè)量，縮短測(cè)量時(shí)間，需要對(duì)蓄電池大電流放電，而大電流放電對(duì)蓄電池將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)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(guó)GNB公司曾對(duì)容量由200~1000安.時(shí)，電池組電壓由18~360V的近五百個(gè)VRLA電池進(jìn)行了測(cè)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(guò)測(cè)量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其剩余電量。蓄電池完全充電（充滿(mǎn)）和完全放電（放完）時(shí)，其內(nèi)阻相差2~4倍左右。隨著電池充電過(guò)程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步減小；隨著放電過(guò)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(xiàn)如圖2所示。

圖2 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線(xiàn)
由于蓄電池完全充電和完全放電時(shí)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(cè)量蓄電池內(nèi)阻來(lái)預(yù)測(cè)其剩余電量，要比開(kāi)路電壓法精確得多。內(nèi)阻法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)在線(xiàn)使用的蓄電池來(lái)說(shuō)，此方法對(duì)系統(tǒng)影響最小，并可在電池的整個(gè)使用期內(nèi)精確測(cè)量。
通過(guò)以上幾種測(cè)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(xiàn)測(cè)量，因此，本系統(tǒng)采用了內(nèi)阻法測(cè)量剩余容量。

3.2 內(nèi)阻法預(yù)測(cè)剩余電量的實(shí)施方案

內(nèi)阻法預(yù)測(cè)剩余電量的具體實(shí)施方法是：首先將蓄電池充滿(mǎn)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(duì)電池放電，記錄下放電過(guò)程中內(nèi)阻與電量的大小。當(dāng)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(xiàn)，即剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系。將此曲線(xiàn)存入EPROM中，在以后測(cè)試同型號(hào)同規(guī)格的電池時(shí)，單片機(jī)根據(jù)在線(xiàn)測(cè)到的電池內(nèi)阻值，通過(guò)查表計(jì)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(xiàn)測(cè)得蓄電池的內(nèi)阻，其測(cè)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(cè)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(shí)現(xiàn)方案如圖3所示：

圖3　內(nèi)阻法預(yù)測(cè)剩余電量的實(shí)現(xiàn)
其中300Hz信號(hào)發(fā)生電路由14位二進(jìn)制串行計(jì)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(dá)4W的音頻功率放大器，具體的使用可參見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。
圖4　300Hz信號(hào)發(fā)生電路
4 蓄電池單體電壓的測(cè)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(cè)裝置必須測(cè)量每只蓄電池的單體電壓。由于蓄電池串聯(lián)起來(lái)為通信設(shè)備供電，每只蓄電池對(duì)地的電位都不相同，其最高的共模電壓可達(dá)60V，對(duì)于一般的多路模擬開(kāi)關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，難以承受。因此，要對(duì)其進(jìn)行測(cè)試，首先必須對(duì)浮地信號(hào)做共地處理或采取隔離措施。傳統(tǒng)的比較成熟的測(cè)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(cè)試方法
其基本的測(cè)試原理是：首先將繼電器閉合到A區(qū)，對(duì)電解電容充電；等到需要測(cè)該蓄電池的電壓時(shí)，把繼電器閉合到B區(qū)，將電解電容和蓄電池隔離開(kāi)來(lái)，由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號(hào)，因此，測(cè)試部分只需測(cè)電解電容上的電壓，即可得到相應(yīng)的蓄電池電壓。這種方法無(wú)需采用線(xiàn)性光隔離等比較昂貴的器件，具有原理簡(jiǎn)單、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)。但是由于繼電器存在著機(jī)械動(dòng)作慢，使用壽命低等缺陷，實(shí)踐證明，根據(jù)這一原理實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)裝置在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿(mǎn)意。
4.1 硬件直接相減的方法的實(shí)現(xiàn)

硬件直接相減法的思想來(lái)源于數(shù)學(xué)上減法的概念。試想，如果用高差模增益的運(yùn)放將蓄電池上的高電位按比例壓縮，即：首先將n號(hào)蓄電池的高端電位按照Rn1/Rn2的比例壓縮至模擬電子開(kāi)關(guān)可以承受的程度，測(cè)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(hào)蓄電池的高端電位,同理可得到第n號(hào)蓄電池的低端電位，然后通過(guò)軟件將兩者相減，即可得到第n號(hào)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(shí)際中卻難以實(shí)現(xiàn)。比如，40V的電位，通過(guò)測(cè)試精度為0.1%的測(cè)試系統(tǒng)，其絕對(duì)誤差為±40mv，而38V的電位，通過(guò)同樣測(cè)試精度的系統(tǒng)，其絕對(duì)誤差為±38mv，兩者之間的絕對(duì)誤差累積為±78mv，顯然，其相對(duì)誤差可達(dá)到8%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以達(dá)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(shí)現(xiàn)的，但其思想?yún)s十分具有參考價(jià)值：如果能夠解決誤差的連續(xù)累積問(wèn)題，就有可能得到滿(mǎn)意精度的測(cè)量結(jié)果。為此我們用兩片高差模增益放大器設(shè)計(jì)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(cè)量單體電壓的電路
圖6中，ICL7650是差模增益高達(dá)105/mV的運(yùn)算放大器，從而能夠保證運(yùn)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(yùn)算放大器工作的平衡電阻。Vna為n號(hào)蓄電池的高端電位，Vnb為n號(hào)蓄電池的低端電位。
其基本原理如下：運(yùn)算放大器A構(gòu)成了一個(gè)反向放大器，即：
（1）

運(yùn)算放大器B構(gòu)成一個(gè)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(mǎn)足條件：

，即 （3）
則式（2）可以化為：
（4）

從而實(shí)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(dá)60V左右，要將其移到2V左右的對(duì)地電壓，并保證運(yùn)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(shí)由于在這個(gè)數(shù)量級(jí)的電阻難以保證較高的精度，因此應(yīng)加入5kΩ的電位計(jì)加以調(diào)整。

5 蓄電池單體溫度的測(cè)量

蓄電池體的溫度是VRLA蓄電池的重要標(biāo)志參數(shù)，對(duì)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(cè)量我們采用了Dallas公司的數(shù)字式溫度傳感器DS1620，它具有測(cè)溫范圍寬、讀數(shù)穩(wěn)定、與單片機(jī)接口方便等優(yōu)點(diǎn)，其測(cè)溫分辨率可達(dá)到0.50C,如果經(jīng)過(guò)軟件調(diào)整，還可以達(dá)到更高的精度0.10C，對(duì)于蓄電池單體電池溫度的測(cè)量來(lái)說(shuō)，十分適用。DS1620的結(jié)構(gòu)及其測(cè)溫原理可參考文獻(xiàn)[6]，在此不再作具體的詳述。下文僅對(duì)軟件實(shí)現(xiàn)0.10C精度的方法加以說(shuō)明。

5.1 測(cè)溫原理的進(jìn)一步分析

要獲得較高的測(cè)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(jì)數(shù)器的值和該溫度下每增加10C的計(jì)數(shù)值，后者可以從非線(xiàn)性累加器讀入。非線(xiàn)性累加器電路用以補(bǔ)償溫度振蕩器的非線(xiàn)性作用，它有助于獲得較高的測(cè)溫精度。
用單片機(jī)控制DS1620，將經(jīng)過(guò)修正的溫度直接讀取值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)（以0.50C為單位），記為temp_read。同時(shí)，讀取計(jì)數(shù)門(mén)關(guān)閉后保存在計(jì)數(shù)器中的值，記為count_remain.然后讀取非線(xiàn)性累加器中的值，作為該溫度下每攝氏度的計(jì)數(shù)值，記為count_per_c。以上幾個(gè)參數(shù)確定以后，可以用下式計(jì)算得到精度為0.10C的實(shí)際溫度T，即：
（5）


5.2 軟件方法實(shí)現(xiàn)0.10C的測(cè)溫分辨率

根據(jù)以上的分析，通過(guò)軟件編程，即可用單片機(jī)控制DS1620實(shí)現(xiàn)0.10C的測(cè)溫分辨率，其軟件流程圖如圖7所示。

圖7　實(shí)現(xiàn)0.10C的測(cè)溫分辨率程序流程
其具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
（1） 發(fā)送“寫(xiě)配置”指令初始化DS1620，將其設(shè)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(kāi)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(fù)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(jì)數(shù)器”指令，從計(jì)數(shù)器讀取9比特值，即count_remain；
（6） 將非線(xiàn)性累加器中的值讀入計(jì)數(shù)器，此時(shí)外部單元與DS1620無(wú)數(shù)據(jù)交換；
（7） 重發(fā)“讀計(jì)數(shù)器”指令，讀取此時(shí)計(jì)數(shù)器的值，即count_per_c；
（8） 由公式（5-10）計(jì)算得到精確的溫度值。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，各種電量的測(cè)試采用的標(biāo)準(zhǔn)源及檢定裝置為ST-9020電能表現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀（0.01）級(jí)；測(cè)試用蓄電池為南都公司的GFM200，并將其在額定負(fù)載情況下以0.1C的放電率恒流放電所得到的容量作為標(biāo)準(zhǔn)容量；測(cè)試環(huán)境溫度均為240C。蓄電池剩余容量測(cè)試結(jié)果如表1所示；蓄電池單體電壓測(cè)試結(jié)果如表2所示。
表1　蓄電池剩余容量測(cè)試結(jié)果表2　蓄電池單體電壓測(cè)試結(jié)果
從以上的測(cè)試結(jié)果可以看出系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，完全可以滿(mǎn)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(shè)計(jì)方案的可行性，具有工程實(shí)用價(jià)值。

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