（电机与电器专业论文）多参数分析的蓄电池充放电智能监控系统的设计与研究.pdf

同济大学硕士学住论文a b s t ra c t t h ed e sig n r e s e a r c ho fb a t t e r ym o n it o rin gs y s t e m b a s e do nm u l tlp a r a m e t e r - a n a l y z e d a b s t r a c t t h ep a p e rd e s c r i b e san e ws c h e m et o d e s i g na l li n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m n e e d sf o rm a i n t e n a n c eo nv r l ab a t t e r i e ss i n c et h eo l do n ei sn o ts or e a s o n a b l e ，a n d i n t r o d u c e st h em e t h o do fh o wt om a k ei ti nd e t a i l t h i sp c - c o n t r o l l e dm o n i t o r i n g s y s t e mi sc o m p r e h e n s i v ei nm o n i t o r i n g ，a n a l y z i n ga n dp r e d i c t i n gb a t t e r yd a t a i nt h i s s y s t e mt h ep a r t i c u l a rp a r a m e t e r si n c l u d et h ec u r r e n tv o l t a g ea n dt e m p e r a t u r ei nt h e c o u r s eo fc h a r g ea n dd i s c h a r g eb ec o l l e c t e db yt h ec o n t r o l l e r , a n dt h e na n a l y z e db y t h es y s t e mm a n a g es o f t w a r ea n dp o i n to u tw h i c hc e l li nt h eb a t t e r yi s w r o n ga n d d e c i d ew h a tw a yt oc h a r g ea n dd i s c h a r g eu l t i m a t e l y a tf i r s t ，s e v e r a lk i n d so fb m sm a j o rc h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o nc a s e sa r e e x p a t i a t e d t h e nt h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r o j e c t sa i ma n dc o n t e n t s e c o n d l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ep r i n c i p i u ma n dd e s i g no fc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m 、t h ec h a r a c t e r so ft h eb a t t e r y 、s e v e r a lm e t h o d so fc h a r g e ，b a s e do nt h e s e t h e o r i e s ，t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no ft h i ss y s t e mi sm e n t i o n t h i r d l y , t h ed e s i g no f t h eh a r d w a r es y s t e mi n c l u d et h em a i nc i r c u i t 、t h ea d d ac i r c u i te t c ，w i l lb ed e s c r i b e si nd e t a i l t h er e s u l to ft h et e s tw i l ll i s th e r ea l s o f o u r t h l y , t h es o f t w a r ei sav e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ec o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e r s e l e c t st h ed e s i g no ft h ed a t a s h e e ta n d r e p o r tf o r m sp r o g r a mt oi l l u s t r a t et h ed e s i g no f s o f t w a r e a tl a s t ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n t e n t s b yc o m b i n i n gt h ee c o n o m i c s i t u a t i o na n dt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t i tf o r e c a s t st h e d e v e l o p m e n to fb m s t e c h n o l o g y , c o n t r o lt e c l l l l o l o g ya n dm o d u l a r i z a t i o nt e c h n o l o g y t h eb m si sr u n n i n gs u c c e s s f u l l yn o w k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m c h a r g ea n dd i s c h a r g e m o d u l a r i z a t i o nd e s i g n c o m p u t e rc o n t r o l i i 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成硕士学位论文“多叁麴盆板的董电渔左趑电蟹篚鳖控 丕统的逡让生婴究”。除论文中已经注明应用的内容外，对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：秒的啼 7 口- 弓年2 月? y 日 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 1 1 引子 第一章绪论 自1 8 5 9 年法国物理学家普兰特( p l a n t e ) 发明了以铅和硫酸为主要成分的铅酸 蓄电池，至今已有一百多年的历史。一百多年来蓄电池技术有了很大发展，各种便携 式电子设备，如笔记本电脑、移动电话、无绳电话、对讲机、摄像机、小型电台和测 量仪器，都要求电池轻、短、薄、小且容量大。为了适应这种要求，各国都投入大量 的人力财力，开发新型电池。近年来，镍氢电池、锂离子电池逐渐取代镍镉电池。铅 酸电池具有价格低廉、供电可靠、电压稳定等优点，广泛应用于通信、铁路、交通、 电力、石油、国防、工农业生产等部门，但普通铅酸电池需要经常加水补酸，而且还 产生腐蚀性气体，损伤人体和设备。而全密封免维护铅酸电池具有无泄漏、无污染、 容量大等优点，在国内外各行各业得到了广泛应用。眩3 但这里的“免维护 仅仅指的 是在使用过程中不用加水补酸，过去那种认为完全不用维护的使用习惯大大影响了电 池的使用寿命，大量的免维护电池用几年后即报废，造成巨大的经济损失。蓄电池的 使用寿命，在其采用原料、结构、制造工艺等设计、制造因素确定以后，在很大程度 上取决于使用条件、充电方法、维护保养制度等因素。电池特别是蓄电池属于可再生 能源的范畴。研究其充放电制度，制定合理的电池使用与维护制度，设计合适的电源 管理系统( b m s ，b a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e m ) 对延长电池使用寿命，充分有效利用能 源，提高使用多电池的电池组作为电源设备( 诸如动力部门、铁道、军事等的设备) 的运行可靠性，都有着重大意义。对蓄电池的管理与维护工作最重要的就是对其充放 电过程进行管理，所以也可以说蓄电池管理系统也就是蓄电池充放电监控管理系统。 ( 注：下文提到的蓄电池管理系统指的都是蓄电池充放电管理系统) 1 2 各行业使用的b m s 3 】 不论是在动力环境还是在通信设备中，电源都是整个设备的重要组成部分，电源 同济大学硕士学位论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 设备供电的质量和供电的可靠性，直接影响全局的工作。在不同的系统中，对蓄电池 的关注重点是不同的。蓄电池作为储能装置是通信电源直流系统、交流不问断电源系 统( u p s ，u n i n t e r r u p t a b l e p o w e r s u p p l y ，不间断电源) 和太阳能供电系统中的重要组 成部份，且蓄电池都是在紧急情况下投入使用的，因此掌握蓄电池的状态起着关键性 作用。在这些监控系统中都是把它作为一个监控对象，监控其重要参数如单体电池电 压、充放电电流、标识温度、总电压等，针对其设计的电池管理子系统都是围绕这些 参量来设计构思的。 1 2 1 电力系统直流子系统中的蓄电池监测系统 巧3 直流系统是发电厂、变电站的重要配套系统，蓄电池作为其关键组成部分，是 在电网发生故障或无交流电的情况下使用的。蓄电池组发生故障后，如果人工维护， 由于蓄电池数量众多，情况各异，维护工作量大，许多因素无法判断，将直接影响故 障处理的准确和及时。因此，该系统一般都是设计成可以对蓄电池组基本参数( 单个 电池电压、充放电电流、工作温度、总电压) 进行实时在线监测与报警，对蓄电池组 剩余电荷量的估计、早期故障诊断是其关键技术。其一种设计例子如图1 1 ： 监测数据显示与报警 = = 今 一 主控制 键盘处理廷习 1 部 分 数据 上 传劁 电池 - _ _ - _ _ _ - - h _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - - _ _ 一 电流传感器l 电池状况捧序与诊断 一：s 一 弋多 检测与分析 图l ，1 ：应用于电力直流子系统的蓄电池监测系统功能框图 f i 9 1 1 ：f l o wc h a r to f s y s t e mf u n c t i o nf o rb a t t e r ym o n i t o r e di np o w e rd i r e c tc u r r e n ts u b s y s t e m 同济大学硕士学位论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的堡盐鱼堡塞 该系统的控制部分是以单片机为核心，利用传感技术和光电耦合技术进行电池数 据的采集，通过对电池组的单电压、总电压、充放电电流和温度的监测来实现对蓄电 池运行情况的监测与故障诊断。 1 2 2 通信电源系统中的蓄电池智能监控单元 哺3 通信电源是通信系统的重要组成部分，电源设备的供电质量及可靠性直接影响 全局( 站) 的通信。蓄电池则是支持通信系统工作的后备电源。其智能监控单元由接 口电路，软件系统组成。其中接口电路部分一是和近端p c 机( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 进行串行通信，二是与显示屏幕相连，以实时显示电池有关参数如电压、电流、温度 等或图像及声光以便于维护人员管理。软件监控部分则实现对单体电池工作状况的跟 踪，及对各种工作状况采取相应的控制。通过软硬件共同作用实现对蓄电池的管理。 各种监控模块控制功能大小不一，结构上差异也较大，但系统组成框图类似，一般是 由单片机智能仪器做下位机，p c 机做上位机，调节检测板累集信息数据。其示意框 图如图1 2 ： 电压 电池参数检测调节板 e 蛊舞鑫鎏 电流二一+ 一一_ j 娶囊- 二二二至：二：童 二二 _ 瓣 数据l 一 控制板卜，羹要曼罢i 。一一一一一一l 一 ， 数据传送l _ 一 外接p c 计算机 【。j ：一一 数据处理 ! 翌竺苎， l 显示或打印 图1 2 ：通信电源智能管理系统中的蓄电池智能监控单元示意框图 f i 9 1 2 ：s k e t c hm a p o fa p t i t u d em o d u l ef o rb a t t e r ym o n i t o r i n gi nc o m m u n i c a t i o np o w e r m a n a g es y s t e m 其中电池参数检测调整板包括多路开关、a d ( a n a l o g d i g i t a l ) 变换器及放大器 等部分。它主要是将从蓄电池检测的电压、电流信号先经模拟开关通道选择，再经过 放大后，由a d 变换器处理转变为数据信号。而控制板则完成这些数据的存储、传送 等处理。 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 1 2 3s b m s 智能电池系统( s m a r tb a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e m ) 介绍智能电池系统前，先了解一下智能电池的概念。订。智能电池的确切定义目前 还没有统一的说法。这个概念来源于信息业的高速发展，其中主要来源于世界著名的 笔记本电脑设计、生产、供应商。人们迫切希望掌握电池的工作状况，一旦关键时刻 电池没电可以及时替换，事先也可以有所准备。所以笔记本电脑中电池电源管理方案 都使用存储在基本输入输出系统( b i o s ，b a s i ci n p u t o u t p u t s y s t e m 基本输入输出系统) 中的电源算法( 一般采用硬件方法) 通过操作系统直接进行控制。目的是使电池寿命 延长。智能电池通常带有一个用于测量电压、电流和温度的模数转换器，一个估算自 放电的定时器，一个记录充放电过程和现状的存储器，一个提供电池化学信息和期望 的充电和容量测量算法的存储器，以及一个能与主机进行通信的接口。智能电池可以 提供如下功能：精确提供电池状态数据，包括电池端电压、电池温度、电池内阻、电 池的剩余容量等；符合某种通信规范( 如s m b u s ，s y s t e mm o n i t o r i n gb u s ，系统管理总 线) 的能与主机通信的接口；必要的保护与报警功能，如一些铅酸蓄电池需要过压保 护，锂电池在充电时也希望端电压不超过4 5 v ，需要过压保护等；另外，几乎所有电 池类型都对过放电敏感，在这种情况下需要报警提示及保护措施；具有与智能充电控 制器通信的功能等。智能电池与一般的化学电池主要不同就在于它可以监测电池状 态，智能电池可以直接与智能充电器通信随时告知它充电需求。因此可以说智能电池 系统就是综合了集成有芯片电路的智能电池，在软件的控制下，能采集、计算、预测 电池工作状况的一个系统。强3 其典型结构如图3 ： j 系统电源。 ：s ys temp o w e r 。 图1 3 ：典型的智能电池系统结构 f i g1 3 ：s t r u c t u r eo ft y p i c a ls m a r tb a k e r ys y s t e m 同济大学硕士学住论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的堡世婴 由图1 3 可知该系统硬件包括：系统主机、智能电池( 可以是1 只，也可以是若干只) 、 智能充电控制器、a c d c ( a l t e r n a t i n gc u r r e n t d i r e c tc u r r e n t ，交直流两用) 变换器及 传输数据的总线网络。其软件包括传输数据的通信协议、数据处理平台和嵌入式操作 系统以及相应的程序。 目前国外的智能电池一般都是以芯片的形式推向市场，要使用它完成智能电池的 功效还要做一些后期开发和设计工作。而在国内一般都是在普通的电池上加装一块控 制模块来完成智能电池的各项功能。其开发包括硬件和软件两部分。 1 3b m s 的结构组成 蓄电池监控管理系统的应用场合不同，其功能大小也有差异，具体结构组成是由 其具体使用功能来决定的。一般说来，监控管理系统分为硬件电路和软件系统两部分。 其中硬件部分一般是按功能分成充电机主电路、放电机主电路、充放电机主电路的控 制电路及以c p u ( c e n t r a lp r o c e s s i n gu n i t ，中央处理器) 单元构成的监控回路。软件 系统因监控目的的不同而不同，但都包括充放电工况的自动转换、对蓄电池单节电压 的检测、对充电电流进行控制等这些基本功能。蓄电池监控管理系统都是通过检测回 路或检测元件检测标称蓄电池工作状态的电压、电流、温度等参数，提供给系统软件 进行分析判断，再下达命令给控制电路部分来调整蓄电池的工作状态。 a 、状态参量检测电路：包括电压、电流、温度等测量电路。 b 、控制板电路：控制板上设置了单片机，主要完成采集数据的处理和有关接口的管 理。 c 、监控软件系统：监控软件系统由参数预置、数据采集及实时显示、数据处理等功 能组成，包括充电控制、放电控制、故障诊断及排除、保护及报警、历史记录查询等 功能模块。 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 1 4 本文研究的内容及意义 2 1 世纪是一个以数字化、网络化、信息化为特征的时代，随着计算机应用的普及， 特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用与研究，尤其是生产过程自动化的应 用，测控系统的管理与控制日趋数字化、集成化、并行化、+ 网络化和智能化。已有越 来越多的人投入到关于蓄电池的自动化、智能化监控问题的研究，并且已有应用于现 场的一些初步尝试。 铁路作为国民经济的大动脉，在近年来改革开放中有了飞速的发展。众所周知的 列车提速就是其中之一，对社会的发展起到了巨大的促进作用。蓄电池作为铁路配件 也结束了几十年来一贯制的局面，无论在外观方面还是性能方面都有了很大提高，为 铁路的发展做出了一定的贡献。铁路蓄电池主要用于内燃机车起动、电力机车支撑架 升降、空调客车车厢应急电源及非空调客车车厢照明、电扇、广播使用。蓄电池是关 系电力机车安全可靠运行的重要元件之一。对其进行合理检测和维护有很大意义。 各机务段都设有蓄电池维护班组，其工作过程如下：以0 1 倍率的电流对蓄电池 恒流充电l o 小时，再以o 1 倍率的电流恒流放电1 0 小时，如此充电3 次，放电2 次， 并在该过程中不断检测蓄电池的端电压，当发现某节蓄电池的端电压超出范围时，拆 除该故障电池并用一节新电池替代，如此进行，直到拆除所有不合格电池为此。以前 由于种种原因，该过程的全部或大部分都靠手工完成，操作人员需要手工调节可调电 源或放电电阻，以完成对蓄电池近似的恒流充电或恒流放电，手动检测每一节蓄电池 的端电压，并判断其数值是否越限。这样每一次蓄电池容量校核工作需要2 - - 3 个人， 至少花费5 0 个小时才能完成，既麻烦又难以保证精度。同时蓄电池废气会对人体健 康造成很大的伤害。 蓄电池作为机车上的后备电源，对机车安全运行起着重要作用；而检修后的蓄电 池如何进行充放电，又直接影响着蓄电池的寿命与质量。为了提高蓄电池的充电质量， 实现科学合理的进行充放电，保证蓄电池的质量，因此，有必要对蓄电池的检修过程 及充放电的控制方式进行研究。 针对国内现有充电装簧存在的问题，本文提出一种采用微机控制的蓄电池充放电 同济大学硕士学位论丈多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 的自动监控系统。在基于计算机过程控制的有关理论基础上提出设计一个应用于机车 蓄电池检测控制的计算机控制系统的实践。该系统利用计算机对电池的充电及放电信 息进行采集，所采集的信息包括充放电电流、电压( 包括单体电池电压和电池组端电 压) 、温度，这些信息交由系统管理软件进行分析总结，以合理优化的方式发现故障 电池及电池组所需的充放电模式，从而决定用什么方式来充电和放电。指令的执行是 依靠一套功率四象限逆变器来自动完成( 当然为了与以前的操作方式兼容，同时设置 了手动变换操作) 。该逆变器可以正向充电也可反向将电池电量逆变后馈送给电网， 这样可以使电池的电荷放光，消除电池的记忆，并锻炼了容量，达到延长电池寿命的 目的。 本文围绕该项目中系统的硬件、软件设计，内容结构如下： ( 1 )蓄电池充放电监控管理系统( b m s ) 是个复杂的过程计算机控制系统，它 的设计与实现在基于计算机检测与控制理论研究的基础上针对蓄电池的特性、充放电 方法及用户要求的原则来设计应用，因此，在第二章中第一部分引述了计算机测控系 统的一些基础理论，从而依此提出了本系统的系统模型。 另外本章第二部分对蓄电池的外特性、电特性进行了阐述，同时对蓄电池的充放 电方法进行了探讨。本部分首先从蓄电池的充电过程建立的蓄电池电路模型，得知电 池容量与浮充电压、特殊比重、电导等参数的相关性，对电池内部等效电路的研究， 可以从电路拓扑的角度去看待电池，也确定了整流器的负载特性。其次介绍了蓄电池 的失效模式及影响蓄电池寿命的几个因素，从而为制定合理的电池维护与保养制度提 供理论信息。最后综述了蓄电池充放电控制的原理及方法，并由此提出了本系统的总 体设计方案。 ( 2 ) 第三章对本系统的硬件设计部分进行了分析。首先分析了机车蓄电池充放电 的工艺程序图及系统的功能要求，在此基础上，提出了在进行系统设计时应考虑以下 几方面的因素：能否存贮各种蓄电池充放电工艺程序，并易于修改；充放电时恒流误 差要小；充放电机可以遥控，满足自动控制的要求；系统操作简便、可靠性高等。这 些也是本系统设计的出发点。另外基于系统电路组成框图介绍了系统的主电路原理 图；a d 、d a ( d i g i t a l t o a n a l o g ，数字模拟) 转换电路部分的要求及本系统对此的 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 设计；在有干扰的工业环境中，为了保证电路端1 ：3 的正常工作，防止干扰和保障人、 仪器设备的安全，通常要采用光电隔离技术，本系统在这方面也有考虑。 ( 4 ) 软件编程是b m s 控制系统控制思想的具体实现。第四章对系统的软件设计 做了详细的阐述。软件系统的设计制作包括多方面的内容，本章首先从软件系统功能 模块框图简略介绍了各部分实现的功能。本系统报警、查询等功能的实现都是基于数 据的，因此文中详细介绍了利用s q ls e r v e r ( s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g es e r v e r ，结构 化查询语言服务器) 进行数据表的设计，通过分析v b ( v i s u a lb a s i c 语言) 中的几种 数据访问接口，给出了利用a d o ( a c t i v e xd a t a o b j e c t ) 访问数据库的例程。报表设 计制作及打印也是本章的一个重点，在分析了v b 中的几种报表制作技术后，讨论并 给出了在v b 中操作e x c e l 进行报表制作输出的步骤及相关代码。界面设计在一个完 整、完美的应用软件设计中也是非常重要的，因此，本章最后对本系统应用软件的界 面进行了设计。 ( 5 ) 第六章对本文的研究内容进行总结和概括，并结合当前相关技术的发展状况， 对蓄电池智能管理系统的发展前景进行了展望。 1 5 小结 蓄电池是一种以放电方式输出电能，以充电方式吸收、恢复电能的电源。由蓄电 池组构成的低压电源，是船舶电气、邮电通信等场合低压供电系统中必不可少的设备。 而蓄电池的维护、管理一直是困惑电气技术人员的难题，维护管理不当将直接影响蓄 电池的使用效益和寿命，甚至直接损坏蓄电池。通过测量蓄电池组的参数，可以及时 了解蓄电池的工作状态、工作特性及蓄电池需要维护情况。蓄电池组的参数包括蓄电 池组的总电压、充电电流、放电电流以及单体电压、电解液密度、温度等，因此，蓄 电池组检测的参数个数多，如4 8 v 蓄电池组的单体电压有2 4 个，用传统的手持式仪 表测量，或单参数仪表测量不能满足要求。本文讨论的是由p c 构成的蓄电池组计算 机监测系统的设计方法，该系统能实时测量多个分散的蓄电池组参数，参数通过计算 机处理后存储并同时显示在监控室的计算机屏幕上，为电气技术人员的管理和维护提 同济大学硕士学位论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 供方便，减少电气技术人员的劳动强度和维护工作的盲目性，保存在计算机中的数据 为蓄电池组的科学维护与管理积累经验，从而提高蓄电池的使用效率，延长蓄电池的 使用寿命。 同济大学硕士学住论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 参考文献 1 姜绍信，铅酸蓄电池块速充电，天津科学技术出版社，1 9 8 4 2 高建州等，智能型充放电机的设计与实现，甘肃科技，2 0 0 2 ( 4 ) 3 j s z y m b o r s k i ，j l m u l c a h y , a n da r a b b o t t ，o p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c sas e a l e d g a s r e c o m b i n a n tl e a d - a c i db a t t e r y , p r o c e e d i n g si n t e l e c19 9 8 4m i l l s ，j o h na ，a p p l i c a t i o no fab a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e mt ov i l l ab a t t e r i e sf o rs a n t a b a r b a r ab u s ，p r o c e e d i n g so ft h ea n n u a lb a t t e r yc o n f e r e n c eo na p p l i c a t i o na n d a d v a n c e s ，19 9 8i e e e 5 鲍慧，蓄电池运行与监测系统，电力系统自动化，2 0 0 2 ( 7 ) 6 狳曼珍，阀控式密封蓄电池及其在通信中的应用，人民邮电出版社，1 9 9 7 7 张晓冬，国内外蓄电池监测系统的现状及发展趋势，农机化研究，2 0 0 2 ( 8 ) 8 黄正佳等，智能电池模块，电源技术，2 0 0 2 ( 1 0 ) 1 0 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 第二章系统的工作原理 蓄电池充放电监控管理系统( b m s ) 是一个复杂的过程计算机控制系统，它的设 计与实现在基于计算机检测与控制理论研究的基础上针对蓄电池的特性、充放电方法 及用户要求的原则来设计应用，以达到系统合理高效、延长电池寿命、节约能源的目 的。本章对过程控制系统的设计理论基础和蓄电池的外特性、电特性进行阐述，对蓄 电池的充放电方法进行探讨，并由此提出系统的总体设计方案。 2 1 计算机检测与控制系统概述9 1 2 1 1 计算机测控系统及其组成 计算机控制是计算机与控制理论相结合的产物。第一台电子计算机出现于1 9 4 6 年，经过十多年的研究，1 9 5 9 年世界上第一台过程控制计算机在美国得克萨斯州的一 个炼油工厂投入使用。该系统控制2 6 个流量、7 2 个温度、3 个压力和3 个成份：其基 本功能为控制反应器的压力，确定反应器进料量的最优分配，根据催化作用控制热水 流量及确定最优循环。在几十年的时间中， 大容量发展。尤其是九十年代的最后几年， 计算机逐步向微型化、低价格、高速度和 微型计算机的发展速度惊人，内存容量也 增加到几十兆到上百兆。计算机技术的发展给控制系统开辟了新的途径。现代控制理 论的发展又给自动控制系统增添了理论支柱。经典和现代的控制理论与计算机结合， 出现了新型的计算机控制系统。在控制系统中引入计算机，就可以充分利用计算机强 大的计算、逻辑判断和记忆等信息加工能力。只要按某种控制规律编制出计算机程序， 然后通过微处理器执行该程序，就能实现按规律控制被控参数。可见在计算机控制系 统中，改变程序就可以改变控制规律。而在一般的控制系统中，系统的控制规律由硬 件电路来实现，改变控制规律就要改变硬件电路，这样不仅工作量大，而且成本高。 但由于计算机只能处理离散的数字信号，而来自被控对象的信号( 如温度、压力 和流量等) 大部分为连续的模拟信号，因此必须解决两种信号的转换问题。由如图2 1 所示的计算机控制系统的原理图可见，a d 转换器和d a 转换器是进行信号转换的关 璺查苎兰堡主兰堡垒查 ：兰垒壑坌堑竺堇皇查查垄皇些垄墨丝竺堡茎量竺至 键部件。完整的微机控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件一般包括：微处理器、 内存储器、以模数转换和数模转换为核心的模拟量输入输出通道、开关量输入输出 通道、i 0 ( 输入输出) 接f i 及人一机联系设备和运行操作台等。软件包括系统软件 和直接用于控制的应用软件。应用软件的优劣对控制系统的精度和效率有很大的影 响。而系统软件是支持应用软件和系统可靠运行所不可缺少的。 l ，、等_ ，j 筲胥厂 芦| 如 - - - r ；- 一删加圳l jd l 一吮l g ( s ) j 图2 1 计算机控制系统原理图 f i 9 2 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ec o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 2 1 2 计算机控制系统的分类 型。 根据应用特点、控制方案、控制目的和系统构成，可将计算机控制系统分为四种类 操作指导控制系统 如图2 2 所示，该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能为操作人员提供反 映生产过程状况的各种数据，并给出操作指导信息。 直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，简称d d c ) 系统 如图2 3 所示，计算机首先通过模拟量输入通道和开关量输入通道实时采集数据， 然后按照选定的控制规律计算出控制信号，并通过模拟量输出通道和开关量输出通道 直接控制生产过程。d d c 控制系统属于计算机闭环控制系统，是计算机在工业生产过 程中最普遍的一种应用方式。由于计算机直接承担控制任务，所以要求实时性好、可 靠性高和适应性强。 1 2 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 + 一模拟景输入一- 一 计一 + 一一开关量输入一- 算一一 过 一卜c r t 、 一 机；讼- 禊：程 - 打印机驴 仪狄卜 c r t 一过程输入 一计。一一：衫爵d i ) 一生 打印机。产 一一算 。磁盘一， 过 ：r 一 ：i 操磊o ，机一揣黜一程； 图2 2 操作指导控制系统图2 3 直接数字控制系统 f i 9 2 2s t r u c t u r eo ft h eo p e r a t i o ng u i d a n c ec o n t r o ls y s t e m f i 9 2 3s t r u c t u r eo f t h ed i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m 监督计算机控制( s u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o l ，简称s c c ) 系统 如图2 4 所示，s c c 系统通常采用两级计算机，其中d d c ( 称为第一级) 计算机 的功能如上所述；s c c 计算机( 称为第二级) 则根据反映生产过程的数据和数学模型 进行必要的计算，给d d c 计算机提供各种控制信息，比如最佳给定值和最优控制量 等。 s c c 计算机承担高级控制与管理任务，它的信息存储量大，计算任务繁重。 sc c 卜d oc 。一过程输。序 卜计算机一卜入输出 卜 1 计 一_ 一 一_ 一l 产； 算一一l - 一r 二ji ，。i 一d d c 一过程输一辽j 机 一计算机- 一一入输出一 图2 4 监督计算机控制系统 f i 薛4s t r u c t u r eo ft h es u p e r v i s o r yc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m 一般用高档微机或小型机作为s c c 计算机。 分散控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m s ，简称d c s ) 随着计算机技术的发展，工业生产过程规模的扩大及综合控制与管理要求的提 同济大学硕士学位论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 高，人们研制了以多台微型计算机为基础的分散控制系统。采用分散控制、集中操作、 分而自治和综合协调的设计原则，从下而上可分成若干级，如过程控制级、控制管理 级、生产管理级和经营管理级等。 2 1 3 本蓄电池充放电管理系统控制方案的总体考虑 本论文要开发的蓄电池充放电管理系统采用了将操作指导系统与直接数字控制 系统的综合，之所以要这么设计，而不选择任意一种计算机控制系统或其他的计算机 系统组合，主要是基于以下几方面的考虑： ( 1 ) 在现场已经有一套系统在运行，它是属于操作指导控制系统之类，为了充分利 用原有资源，降低成本，故在新开发的系统中保留了基于现场数据操作人员来执行操 作控制的模块部分。而操作指导控制系统本质上主要执行数据采集任务，可以给出操 作指导予现场操作人员来执行控制操作。可以满足要求。 ( 2 ) 在监督计算机控制系统中，需要设置两级计算机：s c c 计算机和d d c 计算机， 由s c c 计算机根据具体过程的有关数据和数学模型给d d c 计算机提供控制信息。一 般若按这样的方案设计s c c 计算机由p c 机来承担作为上位机，而d d c 计算机则采 用单片计算机作为下位机，但考虑到现场用户的实际需要，本论文要开发的系统主控 部分直接采用了p c 机，这样可以充分利用了该计算机存储量大，计算能力强，接口 方便的特点，减少成本开支。而且在联网的情况下，局域网中的其他计算机可以直接 访问本系统的数据库，查询调用数据都非常方便，从而掌握现场情况。 ( 3 ) 分散控制系统适用于大规模的工业生产过程，涉及到生产、经营等领域，这显 然超出了本论文要开发小型控制系统的要求。 同济大学硕士学位论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的诲计与翟窒 2 2 蓄电池的电特性及蓄电池充放电控制系统原理 2 2 1 电池模型 n d 3 电池模型主要应用于辅助研究蓄电池的充电方法，制定充电规范，为设计相 关的充放电设备提供理论依据，判断已有的充电方法是否科学合理等。因此有必要对 蓄电池的电池模型进行研究讨论。 当用一恒定电流对铅酸蓄电池充电时，它的充电终止电压v b 比电池电动势e o 要 高。它们的差值可以用电流在内部等效电阻上的压降来表示。 = _ e d l l 厶r 伽( 2 - - 1 ) 而充电状态可以用下式( 2 2 ) 表示： s o c = s o c ( i ) + - fi c d t 其中： s o c ( i ) 初始充电状态 s o c 充电状态 i 。一充电电流 使用以上两式( 2 一1 ) ( 2 2 ) ，可以得到铅酸蓄电池的模型表示如下： = 尸岱d c 夕 ( 2 3 ) 厂椭= 仔棚v ) - - r 1 l g ( s o c ) ( 2 4 ) 其中： v 。：开路电压 f ( s o c ) ，g ( s o c ) ：s o c 的函数 r i n ：电池的所有等效电阻 r ：电池内部固定电阻 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与研究 r v ：电池内部变化电阻 与上式相对应的电池模型如下3 ： 图2 5 电池模型示意图 f i 啦5 t h es k e t c hm a po fb a t t e r ym o d e l 下图为蓄电池简化等效电路n 2 粥，图中r i 、r 2 分别表示正负电极的极化电阻， c l 和c 2 是正负电极的双层电容，r 。为蓄电池欧姆电阻。 c iq 图2 6 蓄电池内部等效阻抗电路 f i 簖6t h eb a t t e r yi n n e re q u i v a l e n ti m p e d a n c ec i r c u i t 在以上等效电路中，电池的总阻抗等于： z = r q + ( 2 - - 5 ) 皿c d 一畏c 所以阻抗的实部x 和虚部y 可以分别表示如下： x 2 尺n + 丽r c 同济大学硕士学位论文 多参数分析的蓄电池充放电监整系终竺堡苎童堑奎 y ：二竺q 叁i ( 2 - - 6 ) 1 + 0 9 c ：r ： 上式中的x 、y 随国变化可以绘制出阻抗复平面图如下： 图2 7 蓄电池阻抗复平面图 c m 2 ) f i 醇7t h ep l u r a li c h n o g r a p h yo ft h eb a t t e r yi m p e d a n c e 从蓄电池等效电路中可以看出，在不同角频率下测得的电池交流阻抗是不同的。 当角频率趋向于零时，测得的电阻为r q + r 。，而角频率趋向于无穷大时测得的电阻为 r 。相关调查和测试报告表明，虽然单体电池在实验测试的电池组中容量几乎从0 到1 0 0 不等，但从不同测试方法得到的结果可以看出，电池容量与浮充电压、特殊 比重等参数的相关性很小；相反，电导与容量的相关性很高ca 4 m 引，对电池内部等 效电路的研究，可以从电路拓扑的角度去看待电池，也确定了整流器的负载特性。 2 2 2 v r l a ( v a l v er e g u l a t e dl e a d a c i d ) 蓄电池的失效模式及其寿命 一、v r l a 蓄电池的失效模式 1 4 1 蓄电池失效是指电池性能逐渐退化，直至不能使用。造成电池失效的原因很多， 为了明确电池管理系统所要做的工作，下面罗列了电池失效模式及原因。见表2 1 。 从表2 1 中可以看出，v r l a 电池失效的主要原因有以下三点： ( 1 ) 过充电或浮充电压过高，使电池j 下极板腐蚀，进而导致正极板变形，活性物质 也因此脱落，v r l a 正极板容量本来就相对负极板而言不足，过充电造成的电池温升 同济大学硕士学位论文多参敬分析的蓄电池充放电监控系统的设彗与塑 过高还会进一步加快极板腐蚀速度，过充电过程中电池内压增大，导致气阀开通，造 成出气出水，容易引起电解液浓度增加，负极板钝化加剧。 表2 1v r l a 电池的失效模式 t a b 2 1t h ed i s a b l ep a t t e r no fv r l ab a t t e r y 电池失效模式 电化学机理外特性反应导致原因 早期容量损失晶体一凝胶体系机理 正极扳活性物质软1 、充放电循环次数增加 化脱落容量下降 2 、充放电电流过大 3 、充电过程正极出气 正极板腐蚀 正极反应： 容量下降1 、储存温度过高 2 h 2 0 0 2 + 4 h + + 4 e 2 、放电深度过大 p b + 2 h 2 0 3 、储存时间过长 p b0 2 + 4 h + + 4 e 4 、充电电流过大或过充电过 多 负极板硫酸化电解液毛细爬升速度导容量卜降l 、放电后没有及时充电 致的电解液层化现象以 2 、电解液浓度过高 及电池失水 3 、长期充电不足 负极板钝化铅电极短路机理电池火效 高电流密度放电或低温大电流 放电 铅枝搭桥铅枝短路机理早期容量失效 过放电引起电解液浓度降低 电池密封不良 电池容量降低储存温度过高 电池温升过高充电装置交流谐波注入极板腐蚀充电装置交流谐波 ( 2 ) 长期搁置充电不足或长期深度放电是引起电池失效的另外一个重要原因，放电 后不及时充电或长期充电不足容易引起负极板钝化。同时，电解液浓度降低容易引起 电解液中铅含量增大，导致铅枝短路的发生。在深度放电条件下，同样会加剧正极板 同济大学硕士学位论文多参数分析的蓄电池充放电监控系统的设计与旦鸯 的腐蚀，正极容量减小。 ( 3 ) 电池不均衡性是导致串联电池组个别电池早期失效的重要原因。在已经配置了 优质整流器和电池监控系统的情况下，仍然不能保证电池工作状态均衡，容易造成电 池组浮充电压准确而个别过高或过低的现象，放电时也会产生总体放电能还很强而个 别电池已经接近终止电压的情况，个别电池的过充和过放电是导致个别电池提早失效 的长期原因。 了解了蓄电池和电池组失效的原因之后，就可以有针对性的分别解决电池管理过 程中必须重视的种种问题。防止过充、过放、对浮充时间和电压的精确控制需要有一 个更加完善的充放电管理方案：为了使蓄电池安全、可靠、免维护，又促使我们增强 监控手段以精确测量和记录电池工作电压、电流、温度、时间等参数；电池串联使用 带来的状态不均衡性要求我们能设计出一种简便、可靠的均衡电路，并且将它运用到 电池组的长期管理过程中去。对以上几个问题的讨论和研究都是蓄电池管理系统中的 重要组成部分。 二、v r l a 蓄电池的寿命1 s 1 n 6 1 从国际标准来说，当阀控电池容量降为原来标称容量的8 0 时，理论上便是该电