网络环境下的蓄电池智能监测系统设计

1 引言

　　目前，蓄电池在电力系统、电信系统、大型信息系统中被广泛使用，合理地选择及使用蓄电池监测系统，对获得最大的安全效益和经济效益有着很重要的意义。在实践中发现浮充状态下的电池信息，不足以准确反应电池的劣化。为解决浮充状态下数据信息不足的问题，本设计采取了监测装置与充电机互动的设计方案，在互动过程中采集放电数据，采用基于软计算的预测模型进行电池劣化（SOH）和剩余容量（SOC）的在线动态计算。
　　网络不仅改变了设备连接形式，而且可以通过设备信息的集中和融合提高了设备的智能化。在构造网络互连环境下，本方案进一步研究网络环境下蓄电池监控数据的加工处理，以实现蓄电池监测软计算模型的动态进化。

2 监测装置与充电机互动设计方案

　　监测装置与充电机互动是本方案研究的一个重要内容，是提高劣化程度预测准确性的创造性工作模式，其基本结构如图1所示。

图1 互动方案的监测系统结构

　　互动方案的主要原理是：电池监测（Battery Monitoring Unit--BMU）进行日常的巡检，并且分析采集的数据及变化趋势，在一定条件下请求充电机（Rectifier Unit--RU）配合进行部分放电测试。由于RU在部分放电时设置为一个比蓄电池放电下限电压低的某一整流输出值，既能使电池提供用电设备的负荷功率，又避免了放电过程中由于电池问题带来的停机风险。
　　在正常浮充状态下，BMU连续检测电池组的电压和内阻，若发现电压或内阻异常，则启动部分放电测试过程，进行更深一层次的测试。该测试过程也被设置为按一定周期启动，如一个月。
　　在放电测试期间，将劣化程度预测模型所需的放电数据，采集包括浮充电压、初始跌落、正常放电电压等数据，通过SOH预测模型运算，准确得知SOH。
　　这样，在内阻监测的基础上，监测系统通过采用三类不同深度的放电测试达到长期连续准确检测SOH的目的：
　　1） 完全放电 电池在投运之前应进行一次100%深度的放电，以确认该电池组能满足设计要求。否则，若存在产品本身的质量问题，会影响到后续监测数据处理的准确性，放电前应该充满并在浮充状态保持一定的时间。
　　2） 中等深度的放电 中等深度指30-50%深度的放电。检测装置的数据处理方法根据此深度的放电数据可以相当准确地计算各电池的SOH，同时亦避免了更加深度放电过程的突然停电，使设备承受断电的危险。
　　3） 周期性的短时放电 根据蓄电池应用场合选取适合的周期，例如3个月。一般短时放电的深度为5%左右。
　　互动方案的长期运行方式如图2所示，一般为多次短时放电测试后加入一次中等深度放电，或者在短时放电测试结果发现电池可能严重劣化时进行一次中等放电予以确认。如果被确认预测结果正确，则通知控制中心；若证明预测有误，则对预测模型作自适应调整。在最后一次中等深度放电确定电池劣化严重后，采取更换措施，更换之前进行一次完全放电。

图2 互动方案的监测过程

3 监测装置的模块化设计

3.1监测装置设计要求

　　根据阀控铅酸电池的一般使用情况和监测管理的目的，监测装置的设计主要考虑以下几个方面：
　　1） 浮充电压测量 电池浮充电压的相对差异很小，要求测量电路具有高准确度，电池组串联后的高电压要求电路具有抗高共模性能。
　　2） 电流监测　检测电池充电、放电电流值。
　　3） 环境温度（或标样电池温度）监测。
　　4） 内阻测量　在线测量每个单电池的内阻值。
　　5） 模块结构 系统要满足大部分应用场合，便于现场安装与维护。
　　6） 网络化设计 网络化和信息化是电子设备的发展趋势，系统设计要有通讯接口和多种网络方案。要适于远程管理和集中监控。
　　7） 可靠性 要求装置长期稳定工作。
　　8） 电磁兼容 检测装置应对用户设备不能产生任何附加干扰，保证用户设备同监测系统共同长期稳定工作。同时还要求装置具有较强的抗干扰能力，在大功率电源装置投切时保持稳定。
　　如图3所示，为监测装置的硬件组成。

图3 监测装置硬件结构

3.2检测模块设计

　　检测模块主要包括5个部分：
　　1） 电压、电流、温度的测量电路；
　　2） 通道切换；
　　3） A/D转换电路；
　　4） 微处理器单元；
　　5） 通讯接口。
　　检测模块完成数据采集，并将数据传给控制模块。高精度、高时效的数据采集模块采用模块化设计方案，兼顾了专用化与通用化原则，配置灵活，根据采样点种类及规模的需求，各个模块可单独使用，亦可自由组合，能适应不同的监测场合。
　　电池的串联给采样电路的设计带来困难，本方案中使用耐高压电子开关解决巡检的困难。PhotoMOS是一种新型光耦合的耐高压电子开关，它与普通的光耦相似，但输出端为场效应管，克服了晶体管的管压降问题，适合本方案所要求的高耐压、高精度、高速的要求。
　　高共模采样电路原理如图4所示，在A/D和CPU之间采用光耦合方式进行电气隔离。