曾 麟 高俊彥 陳 海 林筱慧 黃景婧/國(guó)網(wǎng)廈門供電公司

變電站蓄電池剩余容量在線監(jiān)測(cè)淺析

曾 麟 高俊彥 陳 海 林筱慧 黃景婧/國(guó)網(wǎng)廈門供電公司

閥控鉛酸蓄電池作為直流系統(tǒng)后備電源被廣泛的應(yīng)用在變電站中，但由于在具體的使用過(guò)程中缺乏完善的監(jiān)測(cè)手段，導(dǎo)致直流電源常常由于電池問(wèn)題引發(fā)一些不必要的事故。設(shè)計(jì)選擇一種有效的蓄電池在線監(jiān)測(cè)方案，通過(guò)監(jiān)控軟件準(zhǔn)確地掌握蓄電池的內(nèi)阻、電壓以及剩余容量等參數(shù)顯得十分重要，論文介紹和分析了蓄電池剩余容量在線監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)發(fā)展及各類方法。

蓄電池內(nèi)阻；在線監(jiān)測(cè)；剩余容量

一、蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能完善方案

傳統(tǒng)核對(duì)性放電設(shè)備普遍都是采用電阻絲對(duì)電池進(jìn)行放電，而且都是人工操作，它的程序很繁瑣，還存在一定人身危險(xiǎn)，現(xiàn)在這種傳統(tǒng)的核對(duì)性放電試驗(yàn)正在被逐步淘汰。單一頻率的交流測(cè)試法幾乎可以用來(lái)測(cè)量所有種類電池；交流法的測(cè)量對(duì)電池的本身不會(huì)造成大的損害。單頻率的交流測(cè)試法的缺點(diǎn)是測(cè)量精度比不上直流內(nèi)阻測(cè)試法，其測(cè)量精度可能會(huì)受紋波電流影響，有時(shí)還受到電磁波電流干擾，測(cè)試電路的抗干擾能力還需要加強(qiáng)。使用單一頻率交流法來(lái)提取電池阻抗信息來(lái)判斷蓄電池剩余容量（SOC）以及健康狀態(tài)的判據(jù)還不是很充足，且單一頻率的方法難以平衡測(cè)量的準(zhǔn)確性、復(fù)雜度的等因素。上述方法都各有優(yōu)缺點(diǎn)，我們要根據(jù)不同的應(yīng)用情況和測(cè)試要求來(lái)選擇在線監(jiān)測(cè)的方法，可以綜合考慮采用兩種或兩種以上的方法進(jìn)行判斷和分析，以完善對(duì)蓄電池組的在線監(jiān)測(cè)水平。

二、幾種常用的剩余容量預(yù)測(cè)方法

（一）密度法

蓄電池剩余容量和其內(nèi)部電解液密度密切相關(guān)。其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，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。另外密度法常用于開(kāi)口式鉛酸電池內(nèi)阻的測(cè)量，不適合密封式蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。

（二）開(kāi)路電壓法

開(kāi)路電壓法是通過(guò)測(cè)量蓄電池的直流端電壓來(lái)估計(jì)蓄電池的剩余容量，精度很差，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。因?yàn)榧词挂粋€(gè)容量已經(jīng)變得很小的蓄電池，在浮充狀態(tài)下其端電壓仍可能表現(xiàn)得很正常。

（三）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，影響電池的使用壽命。另外，此方法也不適合在線測(cè)量。

（四）交流注入法

通過(guò)對(duì)蓄電池注入一個(gè)低頻交流電流信號(hào)，測(cè)出蓄電池兩端的低頻電壓和流過(guò)的低頻電流以及兩者的相位差，從而計(jì)算出內(nèi)阻。這種方法由于測(cè)試時(shí)不需要將蓄電池系統(tǒng)退出運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。但這種方法容易受到各種因素的干擾以及本身是一個(gè)很大的容性器件，造成它的測(cè)量精度不高。

三、交流紋波法測(cè)量測(cè)試方案的實(shí)施

（一）硬件設(shè)計(jì)

1.單片機(jī)Atmega16

本系統(tǒng)采用Atmel公司的新一代AVR單片機(jī)（Atmega16）是一種功能非常強(qiáng)大的單片機(jī)，片內(nèi)不僅集成了許多外圍接口功能電路，而且運(yùn)算速度快、功耗低、可靠性高，非常適合在智能儀器儀表應(yīng)用。該單片機(jī)具有如下優(yōu)越性能：

（1）超功能精簡(jiǎn)指令，高速度、低功耗，每一條指令執(zhí)行速度可達(dá)50ns；

（2）片內(nèi)有16kBFlash程序存儲(chǔ)器，512字節(jié)EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1k字節(jié)SRAM存儲(chǔ)器；

（3）32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器；

（4）三個(gè)具有比較模式的靈活定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（T/C）,片內(nèi)/外中斷，內(nèi)置看門狗Watchdog定時(shí)器，防止程序跑飛；

（5）8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP封裝）的ADC；

（6）工作電壓范圍為2.7～5.5V，電源抗干擾性能較強(qiáng)。

2.前置放大電路

由于電池的內(nèi)阻很小，一般為幾十微歐到幾十豪歐，充電設(shè)備施加到蓄電池上的紋波電流安培級(jí)而紋波電壓僅為幾十毫伏，因此在本裝置中差動(dòng)放大器采用高精密的儀器用放大器AD620，其內(nèi)部核心為三運(yùn)放電路，有較高的共模抑制比CMRR，溫度穩(wěn)定性好，噪聲系數(shù)小，只要外接一個(gè)電阻可以設(shè)置1～3000的增益。

3.鑒相處理電路

由前面的分析，交流紋波法預(yù)測(cè)蓄電池內(nèi)阻，需要測(cè)量紋波電壓U、紋波電流I及二者之間的的相位差θ，由于紋波電壓信號(hào)是毫伏級(jí)的交流信號(hào)，需要進(jìn)行放大、交流采樣等一系列軟硬件處理才能得出其有效值，另外還需專門電路求相位差θ并將它轉(zhuǎn)化為cosθ處理，既影響了精度，又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。故采用鑒相處理的方法，即將蓄電池兩端上的交流紋波電壓信號(hào)與相應(yīng)的經(jīng)過(guò)一定處理措施所測(cè)量的正弦電流信號(hào)相乘，通過(guò)濾波器濾掉交流成分，再將cosθ映射到內(nèi)阻中。

4.A/D轉(zhuǎn)換器

單片機(jī)Atmega16雖然內(nèi)置8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP封裝）的ADC，但無(wú)法滿足本套裝置的測(cè)量精度。為獲得較高的剩余電量預(yù)測(cè)精度，被測(cè)值必須有足夠多的有效位數(shù)，為此我們?nèi)?位有效數(shù)字，這樣就要求A/D轉(zhuǎn)換器必須在14位以上。由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為變化緩慢的低時(shí)變信號(hào)，所以只需選低速串行A/D轉(zhuǎn)換器，為此選用AD7715、AD7715為16位A/D轉(zhuǎn)換器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的測(cè)量精度，另外還有SPI接口，便于與單片機(jī)高速通信。

（二）軟件設(shè)計(jì)

本套測(cè)試系統(tǒng)中的Atmega16單片機(jī)采用目前流行的CodeVision編譯器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，編譯語(yǔ)言為嵌入式C語(yǔ)言，包括主程序、液晶顯示程序、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)/設(shè)置程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理程序、A/D程序、串口通訊程序等。

四、高噪聲情況下在線測(cè)量方法的改進(jìn)

測(cè)量蓄電池剩余容量具有較高精度,離線測(cè)量時(shí)誤差優(yōu)于7%。然而在實(shí)時(shí)的在線測(cè)量中,卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際所測(cè)得的蓄電池剩余容量精度不盡人意,有時(shí)誤差甚至超過(guò)10%。是什么原因引起這種誤差呢?為此,我們對(duì)蓄電池的幾種工作狀態(tài),即供電正常情況下的浮充狀態(tài),市電故障情況下的放電狀態(tài)以及逆變器故障時(shí)的狀態(tài)分別進(jìn)行了測(cè)試,發(fā)現(xiàn)在逆變器故障情況下,可以達(dá)到與離線測(cè)試時(shí)近似的精度。至此,可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的,為此,我們嘗試采用低通濾波器的方法來(lái)提高測(cè)試精度,效果很好。

五、結(jié)語(yǔ)

在分析研究了當(dāng)前幾種常見(jiàn)蓄電池剩余容量預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，本文提出了一種利用充電機(jī)交流紋波來(lái)獲得蓄電池容量相關(guān)信息的新方法— —交流紋波法，并詳盡的闡述了其硬件與軟件的設(shè)計(jì)。通過(guò)本裝置真正實(shí)現(xiàn)了蓄電池剩余容量在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)提高直流系統(tǒng)的安全運(yùn)行、提高供電系統(tǒng)的可靠性和自動(dòng)化程度，有著十分重要的意義。

[1]史相玲.蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[D].河北:河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2009，12.

[2]高鵬，崔君瑩，白瑞雪.閥控密封式鉛酸善電池的原理及其運(yùn)行維護(hù)[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2009(11)：23-25.