李建鋒 付學棟

摘 要：蓄電池作為信號電源系統的重要組成部分，是電源系統穩(wěn)定、可靠運行和優(yōu)質供電的最后保證。蓄電池在信號系統中的作用是荷電待用、平滑濾波、調節(jié)系統電壓。它既作為電源系統備用電源，又作為啟動動力電源，還可以作為交流配電設備操作電源。蓄電池健康檢測是迫切需要解決的關鍵問題。電池在線檢測有助于提高使用安全性。介紹蓄電池健康檢測的研究，分析電池內阻與健康狀態(tài)有關，提出基于交流阻抗法的內阻測量法，將低頻率交流信號注入蓄電池中，利用串聯電路歐姆定律測算電池電阻。

關鍵詞：鉛酸蓄電池;健康診斷;內阻測量法

目前，地鐵信號電源系統蓄電池設備維護采用計劃修的模式，檢修周期分為日巡、月檢及年檢。在設備維護過程中，設備檢修質量不僅依據檢修執(zhí)行情況，還依賴于專業(yè)維保人員的經驗、能力。隨著地鐵線網建設的快速發(fā)展，人員調動頻繁，以及新進員工的占比劇增，維保人員對設備前期狀況了解程度不夠深入，設備健康狀況在相鄰檢修之間空檔期處于失控狀態(tài)。因此，將健康管理的概念與技術應用于電源系統的維護支持中，建立綜合維護管理為目標的電源系統健康維護體系，具有重要的意義。VRLA采用陰極吸附技術，在不間斷電源系統中應用廣泛。通過蓄電池管理可以保障電池容量均勻性，避免意外事故的發(fā)生。

1 蓄電池特性及內阻測量分析

鉛酸電池具有原料易得等優(yōu)點，目前人們對其實施改良使其滿足蓄電池標準，其發(fā)展趨勢是提高循環(huán)使用壽命等。鉛酸蓄電池工作過程是正負極電化學反應，可以用化學方程式表示Pb+HSO4—PbSO4+H—+2e。阻抗分析是電化學研究常用方法，電池阻抗與測試頻率有關，電池內阻指固定頻率下的阻抗值，測試儀包括用于堿性蓄電池內阻測量與鉛酸蓄電池。根據鉛酸蓄電池阻抗譜圖陪頻率段激勵信號體出現特性，選用20 Hz正弦波為交流激勵信號。通常采用四端子連接方式實現交流阻抗法[2]。四端子連接方式成立條件是測量電流小，設計鉛酸蓄電池內阻測量法是轉化為測量蓄電池電壓問題，可以避免對蓄電池電壓及相位差多個參數測量。假定激勵信號電壓f（t）=Usin（ωt+θ），電池兩端電壓表達式為fr（t）=Ursin（ωt+θr）。電池內阻r與精密電阻兩端峰值電壓UR，Ur相關。提出內阻測量法圍繞Ur，UR測量展開。

2 蓄電池內阻測量硬件系統設計

根據不同應用場所，控制系統可分為現場可編程門列陣，PLC控制等。FPGA內部包括可配置邏輯模塊CBL，內部連接線。設計ASIC電路可得到可用芯片，是ASCI電路設計周期最短的器件之一。FPGA采用高速CHMOS工藝，可與CMOS電平兼容，FPGA存放在片內RAM中程序設置工作狀態(tài)，用戶可根據不同配置模式選擇編程方式。PLC是早期繼電器邏輯控制系統與計算機技術結合產物，具有編程簡單，可靠性高等優(yōu)點。

目前市場上有很多廠家生產單片機，選擇高性價比單片機需從價格，開發(fā)工具實用性等方面考慮。8051系列單片機得到廣泛應用，PIC等系列采用RISC指令集單片機得到很好的用處。美國Cynal公司推出C8051Fxx系列單片機提高指令運行速度，為單片機提供完善的時鐘系統。I/O端口可接收5 V邏輯電平輸入，選擇端口輸出方式在外接加上拉電阻到5 V驅動邏輯器件。研究選用C8051F040單片機為鉛酸蓄電池內阻測量控制系統芯片。根據控制系統設計要求構建單片機應用系統，硬件電路包括系統設計擴展與配置，設計合適的接口電路，系統配置設計要選擇典型電路，減少開發(fā)成本。按功能模塊可對單元電路進行設計。

測量系統包括內阻檢測模塊，RS232通信摸摸看，JATG接口等設計。電源是系統工作的基礎，蓄電池內阻測量系統采用220 V市供電源，電壓模塊包括多個穩(wěn)壓電路，系統需+15，+5，+3.3 V電壓滿足模塊工作[3]。電壓提供要避免外界干擾引起電壓波動，造成測量結果不確定性。在電路板電壓輸入引腳處加穩(wěn)壓極性電容100 uF，系統使用AMS1117-3.3為穩(wěn)壓轉換芯片。AMS1117系列低壓差穩(wěn)器輸出電壓1.5 V，2.85 V，輸出電流1 A，含靜態(tài)電流降低電路，過熱保護等功能。

內阻檢測模塊是系統核心部分，激勵信號發(fā)生單元設計精度較高，考慮C8051F040單片機內置12位AD轉換器，設計中未采用其他AD芯片。激勵源產生信號純凈度對蓄電池內阻測量非常重要，如何尋找替代信號發(fā)生器裝置是設計激勵信號發(fā)生單元考慮因素，選用高精度波形發(fā)生器ICL8038，通過設置較少外部元器件，產生0.01 Hz的低頻正弦波-300 kHz高精度正弦波。采用先進芯片制造工藝，溫度漂移最大不超過250 ppm/℃。

3 系統軟件設計實驗

目前單片機編程語言中C51使用廣泛，相比匯編語言在功能結構等方面具有優(yōu)勢，使用C51可縮短開發(fā)周期，C語言是高級程序設計語言，采用C51語言設計單片機系統程序，要采用結構化程序設計方法，較大程序可按功能分為不同模塊，指定相應出入口參數，不會引起程序管理混亂，程序設計中利用C51語言預處理命令，常用的TRUE等常數可采用宏定義#define，采用文件包含命令#include加入程序，修改包含文件參量，有利于文件維護。

Keil uVsion3是目前流行的51單片機開發(fā)軟件，成為C8051F040控制器首選開發(fā)軟件，提供集成開發(fā)環(huán)境，uVision，開發(fā)應用軟件中，編輯匯編等各階段集成在環(huán)境中。系統軟件設計要求結構清晰，各功能程序模塊化，程序運行實現標志化管理。主要程序模塊包括系統初始化程序，鍵盤處理子程序等[4]。程序采用RS232串口通訊，鍵盤按鍵方式可啟動AD轉換，把電壓Ur，蓄電池編號顯示在TM12864K液晶顯示屏，通過RS232串口通訊與上位機進行信息交換。通過CAN通信方式與其他主控制器交換信息。系統初始化程序包括時鐘初始化子程序，ADC0初始化子程序，液晶屏初始化子程序等。

研究重點是信號處理電路，需要不斷通過實驗驗證功能模塊精度，內阻測量精度無統一標準，實驗采用DLT-B8500鉛酸蓄電池監(jiān)測系統對比驗證。示波器采用TDS2000，激勵單元產生20 Hz正弦波信號干擾少，滿足系統所需激勵信號。電池兩端響應信號噪聲干擾較大，經放大處理后響應信號毛刺較小[5]。將鉛酸蓄電池監(jiān)測系統與測量方法對比，對VRLA電池進行24次獨立測量，單次測量結果在10 mΩ內波動，表明單次結果非恒定值。實驗測量值為連續(xù)10次測量均值。電池為2 V 3 000 Ah的VRLA電池，測量方法采用正弦交流信號幅值為100 mV，精密參考取電阻R為0.5 Ω。給出方法與DLF-B8500測量結果吻合。

4 結語

隨著人們環(huán)保意識的增強，軌道交通產業(yè)蓬勃發(fā)展。本文針對地鐵鉛酸蓄電池健康診斷內阻測量進行研究，結合蓄電池阻抗譜分析結果，提出基于交流阻抗法內阻測量法。設計驗證方法測試平臺，實現方法硬軟件結構，結合使用要求設計軟件流程圖，增加系統可擴展性。與鉛酸蓄電池監(jiān)測系統對比實驗，反映提出內阻測量方法具準確性。城軌交通是未來交通發(fā)展方向，目前廣泛應用的是鉛酸蓄電池，其研究涉及范圍廣，需要進行深入研究不斷完善，提高系統整體品質。

參考文獻：

[1]臧鑫善.蓄電池健康狀況多參數監(jiān)測系統研究[D].南京郵電大學，2019.

[2]劉微.基于特征優(yōu)化與混合核函數SVM的蓄電池SOH監(jiān)測系統[D].華中師范大學，2017.

[3]李旭茂.后備蓄電池在線監(jiān)測與活化系統的設計與實現[D].湖南大學，2017.

[4]李韋韋.閥控式密封鉛酸蓄電池遠程診斷與維護系統研究[D].東南大學，2015.

[5]李濤.變電站用閥控式密封鉛酸蓄電池監(jiān)測系統研究與設計[D].湖南大學，2015.