毛君龍，徐丙垠，陳文鋼，趙艷雷

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255000 )

閥控式鉛酸(VRLA)電池作為饋線自動(dòng)化終端(FTU)的后備電源，起著儲(chǔ)存電能、維持FTU正常運(yùn)行的作用[1]。FTU采用的VRLA電池組，具有電壓穩(wěn)定和密封性好等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，若FTU設(shè)備的庫(kù)存時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)造成電池電量虧損、電壓下降，進(jìn)而出現(xiàn)后備電池組過(guò)放電到截止電壓的情況。如何快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出長(zhǎng)期擱置的FTU后備電池組中是否存在失效電池，是研究的重點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)VRLA電池的研究，集中在壽命的預(yù)測(cè)及日常維護(hù)等方面，而電池可用性的快速檢測(cè)，是困擾設(shè)備廠家的一個(gè)問(wèn)題。

本文作者搭建電池組可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)組裝的電池組進(jìn)行測(cè)試，獲得并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到可靠的結(jié)果判定，幫助企業(yè)和用戶對(duì)電池性能進(jìn)行快速評(píng)估和區(qū)分。

1 VRLA電池電壓檢測(cè)分析

1.1 VRLA電池工作原理與失效原因

VRLA電池主要由外殼、隔板、電解液槽、槽接點(diǎn)、安全閥、極板和電解液等組成，二氧化鉛(PbO2)和鉛(Pb)分別作為正、負(fù)極活性物質(zhì)，稀硫酸(H2SO4)作為電解液。

FTU在倉(cāng)庫(kù)中長(zhǎng)期處于閑置狀態(tài)，后備電池組端電壓下降的主要原因是自放電[2]。在此過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)正負(fù)極材料從極片上脫落、極板被電解液腐蝕和電池殼體滲水等現(xiàn)象，進(jìn)一步加速電池的放電與老化，甚至可能導(dǎo)致電池組完全損壞。這就需要通過(guò)相應(yīng)方法對(duì)電池組的可用性進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 FTU后備鉛酸電池組檢測(cè)判定

目前對(duì)后備電池組可用性的檢測(cè)，只是對(duì)比電池組的端電壓與系統(tǒng)設(shè)定的電壓閾值。若高于閾值，判定電池組可用；反之，則判定電池組失效。這就經(jīng)常出現(xiàn)完好的電池組因長(zhǎng)期閑置而導(dǎo)致電能過(guò)少和電壓過(guò)低，在FTU設(shè)備上電時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷，誤報(bào)故障，進(jìn)而將好的電池組誤判為失效電池組的問(wèn)題。在實(shí)際使用時(shí)，較低的端電壓并不意味著該電池組已失效或損壞，部分電池可通過(guò)充電再次激活，重新使用。有必要在設(shè)備上電時(shí)，通過(guò)對(duì)電池組進(jìn)行短時(shí)間的充放電，采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，來(lái)對(duì)長(zhǎng)期未啟用或放置過(guò)久鉛酸電池組的可用性進(jìn)行快速檢測(cè)，避免誤判。

2 電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)方案與策略

實(shí)驗(yàn)選取大量同一批次長(zhǎng)期閑置(閑置時(shí)間16個(gè)月)在倉(cāng)庫(kù)中的BT-12M7.0AT型FTU后備電池組(泉州產(chǎn)，批號(hào)P26M1014S09)，對(duì)其中的失效電池單體以及完好的電池單體進(jìn)行編號(hào)分類，并重新組裝電池組，其中部分不含失效電池單體，部分含有數(shù)量不等的失效電池單體。搭建電池組可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)組裝的電池組進(jìn)行測(cè)試，分析結(jié)果，從而進(jìn)一步完善檢測(cè)系統(tǒng)，提高檢測(cè)的精度與速度。

FTU后備鉛酸電池檢測(cè)系統(tǒng)采用STM32型32位系列微控制器單片機(jī)(深圳產(chǎn))，配合16位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC，深圳產(chǎn))采集芯片。被測(cè)電池的電壓最高可達(dá)54 V，而ADC模塊最高只可處理5 V的電壓信號(hào)，需進(jìn)行分壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的實(shí)時(shí)測(cè)量。在電池正、負(fù)極兩側(cè)并聯(lián)電路，通過(guò)電阻分壓，等比例調(diào)整，即可獲得電池兩端的實(shí)際電壓。

采集過(guò)程中，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)同步存入安全數(shù)字(SD)卡中，其中安全數(shù)字輸入輸出接口(SDIO)的控制代碼可設(shè)置為直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)傳輸模式或輪詢模式，實(shí)驗(yàn)時(shí)裝置使用DMA傳輸模式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集過(guò)程如圖1所示。

圖1 電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集圖

首先對(duì)電池組進(jìn)行短時(shí)充電，利用內(nèi)部分壓電路將分壓數(shù)據(jù)傳遞給模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，一般分為采樣、保持、量化和編碼等4個(gè)步驟。用ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器(深圳產(chǎn)，16位高精度)采集電壓數(shù)據(jù)，每100 ms采樣一次，充電時(shí)間為1 min，共計(jì)采樣600個(gè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和處理?？紤]到配電終端設(shè)備FTU運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生具有高頻震蕩、周期性等特點(diǎn)的干擾信號(hào)，在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)濾波。將采集的數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的曲線，利用巴特沃斯低通濾波器對(duì)曲線進(jìn)行處理，使曲線看起來(lái)更直觀、立體，避免因數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生錯(cuò)誤判斷。

電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)策略表如表1所示。

表1 電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)策略表

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在實(shí)時(shí)采集電池端電壓數(shù)據(jù)的過(guò)程中，影響數(shù)據(jù)采樣精度的因素有：①互感器轉(zhuǎn)換精度的限制；②內(nèi)部電磁噪聲的影響；③ADC參考電源的電壓精度。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)濾波處理，提高采樣數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，減小信號(hào)的波動(dòng)。鑒于干擾信號(hào)具有高頻震蕩、周期性的特點(diǎn)，選用遞推平均濾波對(duì)所采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)濾波處理。

數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，取數(shù)據(jù)隊(duì)列長(zhǎng)度M=12，將連續(xù)采樣的電壓、電流數(shù)據(jù)依次存入隊(duì)列中，按照先進(jìn)先出的原則，更新隊(duì)列數(shù)據(jù)，對(duì)隊(duì)列數(shù)據(jù)求取算數(shù)平均值，從而得到濾波后的電池端電壓數(shù)據(jù)，以削弱配電終端設(shè)備FTU的高頻振蕩及周期性干擾對(duì)互感器采樣的影響。

以電池端電壓為例，將連續(xù)采樣的12組端電壓信號(hào)存入E[12]數(shù)組中，即任意t時(shí)刻的電池端電壓為：

E[t]=(E[0]+…+E[11])/12

(1)

下一次采樣時(shí)，E[12]數(shù)組整體向左位移一位，即此前的E[0]舍棄，E[1]左移為E[0]，以此類推依次左移，最后一位E[12]存入采樣，此時(shí)采樣的電壓值為E[t]。濾波后的電池端電壓、電流數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，排除了數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能因噪聲而造成的電池端電壓的瞬時(shí)激變，提高了數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，也排除了數(shù)據(jù)采集過(guò)程中可能出現(xiàn)的偶然性。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 巴特沃斯低通濾波器處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)含有1只失效電池的FTU后備VRLA電池組進(jìn)行檢測(cè)，利用電池檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行短時(shí)充電，并采集電壓數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)(電壓值)繪制成一條曲線，如圖2所示。

圖2 電池組端電壓數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集圖

從圖2可知，采集到的數(shù)據(jù)點(diǎn)有很大的噪聲，為了方便處理與分析，需要進(jìn)行濾波。根據(jù)傅里葉變換理論可知，采集到的數(shù)字信號(hào)會(huì)存在噪聲干擾，表現(xiàn)為頻域中的高次諧波比重增加，致使時(shí)域信號(hào)的曲線不平滑、有毛刺，高次諧波的比重太大，還會(huì)嚴(yán)重干擾原本的時(shí)域信號(hào)。針對(duì)該問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)巴特沃斯低通濾波器時(shí)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，且根據(jù)原始信號(hào)的特性，選擇濾波器參數(shù)N與Ωc[3]。只要求出了N與Ωc，就可求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)。

以軟件巴特沃斯低通濾波器為例，圖2數(shù)據(jù)為1 min采集的600個(gè)采樣點(diǎn)。采樣頻率為10 Hz，取N為5，得到巴特沃斯低通濾波器為：

(2)

式(2)中：p為歸一化參數(shù)；Ga(p)為模擬系統(tǒng)的歸一化系統(tǒng)函數(shù)。

為使濾波后的曲線更加平滑，令截止頻率為0.1 Hz，去歸一化后，得到巴特沃斯低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)為：

(3)

式(3)中：s為拉氏變換中的復(fù)變量。

為進(jìn)一步提升數(shù)字離散信號(hào)的濾波效果，采用雙線性變換法對(duì)由巴特沃斯濾波得到的歸一化函數(shù)進(jìn)行處理。令：

(4)

式(4)中：T為采樣周期；z為Z變換的復(fù)變量。

令T=2s，代入式(3)，得到Ha(z)。經(jīng)過(guò)巴特沃斯低通濾波器后的信號(hào)，如圖3所示。

從圖3可知，經(jīng)過(guò)濾波后的電池組端電壓曲線，基本消除了噪聲，整體較為平滑。

圖3 巴特沃斯低通濾波器濾波后的電池組電壓

之后，分別對(duì)不含失效單體、含1只失效單體、含2只失效單體及含3只失效單體的FTU后備VRLA電池組進(jìn)行短時(shí)充電，并獲得相應(yīng)的電池電壓曲線，結(jié)果如圖4所示。

圖4 含不同失效單體的FTU后備鉛酸電池組的電壓

從圖4可知，含有失效單體的電池組，在第80個(gè)取樣點(diǎn)附近發(fā)生一個(gè)明顯的電壓躍變，之后，電池端電壓會(huì)緩慢上升，由于充電時(shí)間較短(1 min)，躍變后的端電壓變化量較小。不含失效單體的電池組，充電曲線平滑，不會(huì)出現(xiàn)端電壓躍變的情況，且端電壓的變化量也較小。

為進(jìn)一步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論，隨機(jī)選取含有2只失效單體的電池組與不含失效單體的電池組進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖5。

圖5 含不同失效單體的電池組的電壓

從圖5可知，含有失效單體的電池組在前100個(gè)取樣點(diǎn)內(nèi)有明顯的電壓躍變，而不含失效單體的電池組，充電電壓曲線平滑。對(duì)電池組進(jìn)行短時(shí)充電，若在所采集到的前100個(gè)點(diǎn)內(nèi)端電壓發(fā)生了約4～7 V的躍變，即U100-U0≥4 V(U100為第100個(gè)點(diǎn)的端電壓，U0為起始端電壓)，所得曲線會(huì)有一個(gè)階躍函數(shù)似的明顯躍變，但在躍變后變化平緩。這是由于失效后的電池近似一個(gè)大電阻，在充電時(shí)，失效電池會(huì)迅速達(dá)到滿電狀態(tài)，則此時(shí)判斷該電池組中存在1只失效電池。以此類推，當(dāng)含2只失效單體時(shí)，端電壓會(huì)有8～14 V的躍變；當(dāng)含3只失效單體時(shí)，端電壓會(huì)有15～20 V的躍變；若不含失效單體，端電壓曲線為一條平滑的曲線，不會(huì)躍變。

電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2 電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

3.2 小波變換進(jìn)行結(jié)果分析判定

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果可知，可利用躍變量檢測(cè)方法，根據(jù)端電壓曲線的躍變情況判定電池組的失效單體數(shù)量。目前躍變量檢測(cè)的方法有數(shù)學(xué)求導(dǎo)、奇異值分解(SVD)及小波變換等方法。數(shù)學(xué)求導(dǎo)的誤差較大，檢測(cè)速度較慢；SVD存在運(yùn)算量大、計(jì)算時(shí)間慢等問(wèn)題。小波變換具有運(yùn)算速度快，理論基礎(chǔ)完善，可檢測(cè)非平穩(wěn)信號(hào)及更好地觀察信號(hào)的局部特性等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用[4]。引入小波變換分析數(shù)據(jù)，并對(duì)濾波后的電壓躍變量進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)任意信號(hào)f(x)∈L2(R)，小波變換為：

(5)

式(5)中：a、b分別為尺度參數(shù)及伸縮參數(shù)；x為時(shí)間序列；φ(x)為基本小波；wf為連續(xù)小波變換或者是小波變換；L2(R)為平方可積空間；φa(x)為db4小波(一種基本小波)。

為檢測(cè)電池端電壓的變化時(shí)刻，需要確定端電壓信號(hào)的躍變點(diǎn)。端電壓信號(hào)的躍變點(diǎn)即為小波變換的模極大值點(diǎn)，可通過(guò)小波分解來(lái)確定。假設(shè)原始信號(hào)θ(x)是低通光滑函數(shù)，積分為1，無(wú)窮時(shí)極限為0，則一階導(dǎo)數(shù)為：

(6)

(7)

(8)

信號(hào)f(x)在尺度a上的小波變換為：

wf(a,x)=f(x)×φa(x)

(9)

wf(a，x)就是在尺度a下信號(hào)平滑后的一階導(dǎo)數(shù)，wf(a，x)模極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)電池端電壓信號(hào)的躍變點(diǎn)。

經(jīng)過(guò)小波變換后的檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。

圖6 小波變換躍變量檢測(cè)結(jié)果

從圖6可知，可用小波變換在各個(gè)尺度上的模極大值點(diǎn)，代表電池端電壓信號(hào)的躍變點(diǎn)，來(lái)獲得準(zhǔn)確的結(jié)果判定，排除偶然性。利用電池端電壓幅值躍變量對(duì)該組電池中失效單體的數(shù)量進(jìn)行可靠判斷，可提高檢修的工作效率。

4 結(jié)論

在無(wú)需停電的狀態(tài)下，電池可用性快速檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)電池組進(jìn)行短時(shí)充電，實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)端電壓數(shù)據(jù)，及時(shí)捕獲電池組的電壓躍變。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理后，引入小波變換對(duì)端電壓曲線進(jìn)行躍變量檢測(cè)分析，可根據(jù)電池組端電壓躍變的幅值大小，對(duì)電池組中可用電池及故障電池的數(shù)量進(jìn)行分析判斷。利用小波變換進(jìn)行躍變量檢測(cè)，可提高檢測(cè)精度和系統(tǒng)工作效率，避免因誤判而造成可用電池的浪費(fèi)。