（电工理论与新技术专业论文）基于labview的铅酸蓄电池监测系统的开发.pdf

茎王! 些里! 塑塑墼重皇垫堕型墨笙塑堑垄 d e v e l o p m e n to f l e a da c i db a t t e r ym o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n l a b e w a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n s ，e l e c t r o n i c sa n de n e r g yt e c h n o l o g i e s ，b a t t e r y i sm o r ea n dm o r eu s e di nc i v i ia n d i n d u s t r yf i e l d s l e a d - a c i db a t t e r yi sam o s tp o p u l a rv a r i e t y f o ral o n gt i m eb e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c e ，r i c hp r i m a r ym a t e r i a la n dl o w 谢c e se t c i t w i l ld i r e c t l ya f f e c ti t su s a g ep e r f o r m a n c ea n dl i f e s p a n , i ft h el e a d - a c i db a t t e r yi s n o t a p p r o p r i a t et ob em a i n t a i n e d w h a t sw o r s e ，i tm a yd a l n a g et h eb a t t e r ya n di ? t u s es a f e t y a c c i d e n t s t h eb a t t e r y sw o r k i n gs t 倒皓o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ca n d m a i n t a i n i n gc o n d i t i o nc a l l b eo b t a i n e db yo n l i n em o n i t o r i n gb a t t e r y sw o r k i n gp a r a m e t e r s s o i ti sa t r e n dt od e v e l o p o n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mf o rl e a d a c i db a t t e r y a tp r e s e n t , m o s tc o u n t r i e si nt h ew o r l da r es t u d y i n gl e a d - a c i db a t t e r y sa u t o m a t i c m o n i t o r i n gd e v i c e st os a t i s f ya c t u a lh e a r d 8o f i n d u s t r y ，a g r i c u l t u r e ，s o c i a lu s ea n dd e f e n s e s t h ev i r t u a li n s t r u m e n t si san e wt e c h n o l o g y ，w h i c hs e t su paf r i e n d l ym a n - m a c h i n e i n t e r a c t i v ei n t e r f a c eb yp c sp o w e r f u ld a m - h a n d i n ga b i l i t y , g r a p he n v i r o n m e n ta n do n 1 i n e m d i n gf u n c t i o n i tc a l lc o n t r o lt h et e s to b j e c ta n dr e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o n , a n a l y s i sa n dd i s p l a y i th a sag o o dn e t w o r ki n t e r f a c e au s e f u la u t o m a t i cm o n i t o r i n gs y s t e mf o rl e a d - a c i db a t t e r yw a s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r b a s e d0 nl a b v i e w i tc a nr e a l - t i m em o n i t o rm u l t i l o o pb a t t e r i e s i tw a sc o n v e n i e n tt os e tu p n e t w o r kt os h a r ei n f o r m a t i o na n dw a st od e v e l o p m e n td i r e c t i o no fm o d e m t e s tm a c r o t h e m a i nc o n t e n t so f m c p a p e rw g l ea sb e l o w ： 1 t h em o n i t o r i n gs y s t e mf o rl e a d - a c i db a t t e r yw a sp r e s e n t e db a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n t sa n dl a b v i e w 7 0 m o n i t o r i n gi t e m sa n di n d e x e sw e r ee d u c e db ys t u d y i n g l e a d - a c i db a t t e r y b a s i cw o r k i n g p r i n c i p l ea n de l e c t r i c a lp r o p e r t i e s 2 t h ec o n f i g u r a t i o na n dt e s to fh a r d w a r e , s u c h 笛s e l e c t i n gl o g i c a l a c q u i r i n gm o d e s a s s i g n i n ga c q u i r i n gc h a n n e l sa n dc o n f i g u r i n ge a c hc h a n n e l sp a r a m e t e r s ，w e l ef i n i s h e d a l lo f t h e s ew e r et oi m p r o v ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo f 恤s y s t e m 一i i 大连理工大学硕士学位论文 3 t h es o f t w a r ep r o g r a m m i n go ft h ei p cw a sc o m p l e t e db a s e do nl a b v i e w 7 0 t h e c o m m u n i c a t i o nb c t w e e l li p ca n dd a qc a r dw a sr e a l i z e d a l lp a r t so ft h es y s t e mw e r e i n t e g r a t e d 4 t h en e t w o r ki n t e r f a c ep r o g r a mw a sd e v e l o p e db a s e do i lt h ed a t a s o c k e tt e c h n o l o g y t h em o n i t o r i n gs y s t e mg a l lb er e m o t ea c c e s s e da n dr e m o t ec o n t r o l l e d t h e n , i t sn e t w o r k i n g w a sr c a l i z e d k e yw o r d s ：l a b v i e w ；v i r t u a l e 1 1 t s ：d a t aa c q u i s i t i o n ：m o n i t o r i n gs y s t e m 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 2d 口7o b i g ， 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名： 高系 兰卫年型月堕日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与意义 蓄电池是一种能将电能转化为化学能储存起来，使用时再将化学能转化为电能的电 源。它供电方便，安全可靠，在国民经济的各个领域得到了广泛的应用。 铅酸蓄电池自1 8 5 9 年发明以来，至今已经有近1 5 0 年的历史。由于它的性能良好， 原材料丰富，价格低廉，经过不断的技术改进，长期在蓄电池行业中独占鳌头【”。这一 百多年以来，人们对它进行了不断的研究和改进，使铅酸蓄电池得到了极大的发展。1 8 8 1 年，富莱和布鲁希用铅的氧化物和硫酸水溶液混合制成铅膏涂在铅板上，较好地防止了 活性物质的脱落；1 8 8 2 年，铅锑合金板栅的使用大大提高了电池极板的强度，进一步提 高了铅酸蓄电池的寿命；二十世纪二十年代发明并使用了胶体电解液；二十世纪七十年 代又成功地开发出阀控式密封铅酸蓄电池【2 j 。 铅酸蓄电池实质上是一种化学反应装置，其内部的化学变化一般不易及时觉察，日 常使用中的缺陷也不会立即反映出来，因此对蓄电池的维护工作非常重要。对蓄电池维 护管理的不当将直接影响电池的使用效益和寿命，甚至损坏电池。 随着微电子和计算机控制技术的发展，铅酸蓄电池的使用、维护和管理也应实现自 动化。通过在线监测铅酸蓄电池的工作参数，可以及时了解电池的工作状态和工作特性， 必要时对电池进行维护，因此蓄电池在线监测系统的开发势在必行。 1 2 国内外发展概况 国外对蓄电池监测系统的研究较早，技术相对比较成熟。1 9 8 9 年，美国电力研究所 与国家电能研究公司合作，共同研究无人值守场站p b w c 铅酸蓄电池综合在线状态检 测系统，经过4 年的研究开发，耗资2 0 0 万美元，于1 9 9 4 年完成样机的现场试验。测 定的参数包括：电池组电压、单体电压、浮充电维持电流、电池内部温度、电池组环境 温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。其方法是采用安装在每一只 电池上的多传感器电池检测模块，电池检测模块是真空密封的，这种模块通过光缆将状 态数据传输到蓄电池监测器，每一电池组监测器可检测2 5 6 个单电池。控制中心p c 机 能定期查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池状态及其趋 势的信息，能获得每一节电池的参数【3 】o 在法国，最近刚刚研制成功的超声波电池监视系统正在进行试验。 我国铅酸蓄电池的研制、生产和维护使用水平与世界上发达国家还存在较大差距。 近年来，国内多家机构开始研究蓄电池自动检测装置。现在市场上已有几种产品在销售， 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 主要应用于陆地电信通信、电力供应、微波站等领域。在蓄电池检测系统中，关于温度、 液位的测量已非常成熟，各产品间的主要差别是对单电池电压的检测方法。早期的方法 是用继电器切换电池组中的单体电池电压通道，现在应用较多的方法是采用模拟开关进 行选通单体电池电压通道，或者是用光电隔离器件和大电解电容器构成采样保持电路测 量蓄电池组中单节电池的电压。这存在很多缺点，线路复杂，抗干扰能力差，通用性差， 不适合在特殊场合下的应用。 1 3 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器技术、计算机通讯技术和网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们并 称为2 1 世纪科学技术的三大核心技术。虚拟仪器系统是不断革新的计算机技术与仪器 技术相结合的产物【4 】，它代表着当今仪器技术的最新发展方向。虚拟仪器技术诞生于2 0 世纪9 0 年代初的美国，从诞生之日起，该技术就因为强大的用户自定义功能、开发周 期短、成本低廉以及应用范围广、维护升级方便等众多优点迅速被推广应用到国防军工、 科研教育、航空航天、船舶车辆、能源交通、通讯信息、石油开采、电力工程、医疗与 生物工程等多个领域，成为发达国家研究开发的热点技术之一。据世界仪表与自动化 杂志报道，2 1 世纪初，虚拟仪器的生产厂家将超过千家，品种将达数千种，市场占有率 将占到电测仪器的5 0 。目前，国际上大约有6 0 的仪器仪表生产厂家( 如美国h p 公司、 f l u k e 公司，日本h i o k i 公司，瑞士a b b 公司和l e m 公司等) 都已采用虚拟仪器技术作为 产品开发的重要手段【5 j 。 1 3 1 虚拟仪器的概念和特点 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 是基于计算机的仪器，计算机和仪器的密切结合 是目前仪器技术的一个重要发展方向【卅。通俗地说，虚拟仪器就是利用现有的p c ，加上 特殊设计的仪器硬件和专用软件，形成既具有普通仪器的基本功能，又有普通仪器所没 有的特殊功能，高档低价的新型仪器。使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台 他自己设计的专用的传统电子仪器一样。虚拟仪器也具备传统电子仪器的数据采集、数 据分析和数据表达三大功能模块，如图1 1 所示。 结合图1 1 更进一步讲，虚拟仪器是以透明的方式将计算机资源与仪器硬件的测控 能力相结合，实现仪器的功能运作。应用程序将可选硬件( g p i b 、v x i 、r s 一2 3 2 4 8 5 、d a q 等) 与可重复使用的源码库函数等软件相结合从而实现模块间的通信、定时和触发，源 码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供基本的软件模块门。 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 d a q 卡 网络传输 g p i b 仪器 信号处理 v x i 仪器 数字滤波 文件i 0 r s - 2 3 2 统计分析图形接口 数据采集 数据分析数据表达 图1 1 虚拟仪器的功能模块 f i g 1 1 f u n c t i o nm o d u l e so f v i r t u a li n s t r u m e n t s 虚拟仪器具有以下特点嘲： ( 1 ) 它是一种功能意义上而非物理意义上的仪器。虚拟仪器通过硬件接口和仪器驱 动实现了与测控设备的硬件通信，充分发挥计算机的作用，将信号采集、分析和处理等 结合成一体 ( 2 ) 虚拟仪器具有图形化用户界面，体现“所见即所得”的思想。传统仪器的控制 面板在虚拟仪器中都有可被相应选项设置和结果输出控制的软面板取代。 ( 3 ) 虚拟仪器采用模块化结构，系统具有良好的开放性和扩展性。虚拟仪器软件的 开发基于模块化的设计思想，并大量运用动态链接库、类库和函数库，代码具有良好的 可重复性。一个往往由多个组成，这样，在软件结构的树形图中，该v i 是根节 点，其它v i 是叶节点。一个v i 既可以作为虚拟仪器系统中的主控模块，又可以被其它 调用，这由该在整个系统中的具体功能来决定。 “) 虚拟仪器的更新速度快，可维护性好，用户可定制其结构和功能。由于它的核 心是软件程序，在一定开发环境下，用户可以对现有的虚拟仪器程序作二次开发，修改 和增加原有仪器的功能。与开发电子仪器相比，开发周期可大大缩短。 1 3 2 虚拟仪器的系统构成 典型的虚拟仪器系统通常由硬件和软件两部分构成，下面分别作介绍。 ( 1 ) 硬件构成 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，常用的有以下几种【9 l ： 基于p c i 数据采集卡的虚拟仪器系统。它的应用方式是在计算机内的可用插槽 插入数据采集卡，并与相应的软件配合使用。信号通过a d 器件输入到计算机进行分析 处理，并通过终端显示。 以通用接口总线( g p i b ) 构成的虚拟仪器系统。其原理是利用g p i b 接口卡将几个 g p i b 仪器连接在一起，用计算机来增强传统仪器的功能，构成一个整体的柔性测控系统。 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 由v x i 总线构成的虚拟仪器系统。v x i 总线是一种高速计算机总线_ e 总线 在v i 领域的扩展。它具有稳定的电源、强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由 于它的标准开放，结构紧凑，数据吞吐能力强，定时和同步精确，模块可重复利用，还 有众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。 以串行总线或其它工业标准总线构成的虚拟仪器系统。比如，现阶段用的串行 口总线( r s - 2 3 2 ) 甚至较新的u s b 总线和i e e e l 3 9 4 总线，将多个功能模块连在一起，构 成一个实时监测系统。 基于p x i 总线的虚拟仪器系统。p x i 总线吸取了计算机技术、w i n d o w s 图形化 操作系统和仪器技术的优点，把这些技术相结合并使高速p c i 技术和抗恶劣工业环境的 性能相适应。 常见的虚拟仪器方案如图1 2 所示。 被信 数 数 1 。，。；搞 测 号 据 据 厦似仪器回取 对调 采 处 象理 集 卡 理 图1 2 典型的虚拟仪器方案 f i g 1 2d e s i g no f t y p i c a lv i r t u a li n s t r u m e n t s ( 2 ) 软件构成 构成一个虚拟仪器系统，当基本硬件确定以后，就可通过不同的软件来实现不同的 功能。软件是虚拟仪器系统的关键，没有一个优秀的控制分析软件，很难想象可以构成 一个理想的虚拟仪器系统。以v x i 虚拟仪器系统为例，从图1 3 可以看出，v x i 虚拟仪 器系统至少需要仪器、通信和驱动程序三种接口软件。其中，仪器接口为仪器与计算机 之间的通信协议和方法；通信接口按标准方式将仪器连接起来，它是仪器与仪器驱动程 序之间的通信接口，实际上就是v x i 系统的i 0 接口软件；仪器驱动程序接口将通信接 口与开发环境( a d e ) 连接起来。应用软件开发环境将计算机的数据分析和显示能力与仪 器驱动器融合在一起，为用户开发虚拟仪器提供必要的软件工具和环境例。 目前有两种比较流行的虚拟仪器开发环境：一种是用传统的编程语言设计虚拟仪 器，如v c + + 、l a b w i n d o w s 等；另一种是用图形编程语言设计虚拟仪器，如v e e 、l a b v i e w 等。本文采用的是第二种开发环境，即l a b v i e w 图形化软件编程平台。在此平台下，用 大连理工大学硕士学位论文 户只要简单地定义和连接各个逻辑框，便可构成程序，大大缩短了虚拟仪器软件的开发 时间1 1 0 1 。 仪器驱动接口 通信接口 仪器接口 图1 3v x i 虚拟仪器软件结构框图 f i g 1 3 b l o c kd i a g r a mo f s o f t w a r ef o rv x iv i r t u a ll n s t r u m e m s 1 3 3 虚拟仪器与传统仪器的比较 虚拟仪器的基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统，进而逐步代替仪器 完成某些功能，最终达到取代传统电子仪器的目的【l ”。 传统仪器有一个共同缺点：能够对信号进行测量，但不能对信号进一步处理。 虚拟仪器与传统仪器相比，在概念和功能上都有重大突破。通常，在完成某个测量 任务时，需要许多仪器，如示波器、电压表、频率分析仪、信号发生器等，对复杂的数 字电路系统还需要逻辑分析仪、i c 测试仪等。这么多的仪器不仅价格昂贵、体积大，占 用空间，而且相互连接起来也费时费力。 虚拟仪器将计算机资源与仪器硬件、d s p 技术相结各，在系统内共享软硬件资源， 既有普通仪器的功能，又有普通仪器所没有的特殊功能。它把由厂家定义仪器的方式转 变为由用户自己定义仪器的功能。用户可根据测试任务的需要，自己设计所需要的仪器 系统，只要将具有一种或多种功能的通用模块相结合，并调用不同功能的软件模块，就 能组成不同的仪器功能。当测试要求改变时，只需增加或更换仪器软硬件模块，就可以 构成新的仪器，而不必重新购买整台仪器。利用虚拟仪器思想建立的测试系统提高了测 量精度、测量速度，减少了开关、电缆，系统易扩展、易修改，使得测试系统体积小、 灵活方便、成本低、效率高，成为现代测试系统发展的主涮1 2 】。 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 表1 1 虚拟仪器与传统仪器的比较 t a b 1 1 c o m p a r i s o n sb e t w c c nv i r t u a li n s t r u m e n t sa n dt r a d i t i o n a ll n s t r u m e n t s 传统仪器虚拟仪器系统 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键软件是关键 仪器规模、功能固定系统规模、功能可通过软件增减、修改 基于计算机的开放系统可方便地同外设、网 封闭的系统，与其它设备的连接受限 络等连接 价格昂贵价格低、可重复利用 技术更新慢( 周期5 2 0 年)技术更新快( 周期卜2 年) 开发和维护费用高软件结构大大节省开发时间和维护费用 表1 1 反映了虚拟仪器相对于传统仪器的一些优势。虚拟仪器没有常规仪器的控制 面板，而是利用计算机强大的图形环境，在计算机屏幕上建立图形化的软面板来替代常 规仪器的控制面板。软面板上具有与实际仪器相似的旋钮、开关、指示灯等控制部件。 用户通过鼠标或键盘操作软面板，来检验仪器的通信和操作。在系统集成后，对被测对 象进行数据采集、分析、存储和显示，组建自己所需要的仪器。用户不必编写测试程序， 即可进行测试、测量和控制，实现测试的自动化、智能化，充分体现了“软件就是仪器” 的设计思想。 1 4 本文作者的主要工作 本文的研究对象为铅酸蓄电池，目的是研制出一套基于虚拟仪器的电池参数在线自 动监测系统。系统能同时对两块电池进行实时监测，分别监测每块电池的电解液温度、 密度和液面高度，显示电池放电时的电压波形，进行越限报警并估算出电池的剩余容量。 研究工作包括铅酸蓄电池的理论分析、研究方法的确定、硬件平台的配置及软件编程等。 主要内容如下： 第一章绪论介绍课题的研究背景、意义及国内外的研究概况；提出作者的研究 方法，即基于虚拟仪器技术开发监测系统。 第二章铅酸蓄电池相关概念及研究方法研究铅酸蓄电池的基本工作原理和电特 性，从而得出本课题的研究方法，包括监测系统的监测项目和铅酸蓄电池剩余容量的估 算方法。 第三章监测系统的总体设计阐述监测系统的硬件构成和软件构成；介绍数据采 集和p c i 总线理论。 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 第四章系统硬件平台的构建介绍系统硬件平台的设计和工作原理，阐述干扰的 产生机理，并分析具体的应对措施。 第五章软件设计通过m a x 程序对系统硬件进行测试；在l a b v i e w 7 0 下开发监测 系统的软件，包括虚拟仪器前面板和应用程序，并实现监测系统的网络化。 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 2 铅酸蓄电池相关概念及研究方法 在蓄电池问世一百多年的时间里，由于蓄电池作为一种能源变换器可以方便地存储 和提供电能，且具有可逆性好，电压特性平稳，使用寿命长，适用范围广，原材料丰富 且可再生及造价低廉等优点，得到了越来越广泛的应用，是社会生产经营活动中不可或 缺的重要产品。在大力提倡环保节能、使用绿色能源的今天，蓄电池将具有更加广阔的 发展应用前景1 1 3 1 。 目前主要应用的蓄电池，按其采用的原料分为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电 池和锂离子电池。其中，锂离子电池由于具有体积小、重量轻、安全可靠的特点，主要 应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、笔记本电脑、摄像机和照相机等：而铅酸 蓄电池由于具有能够储存大量电能、提供电流范围宽( 从几安培到几百安培) 、价格低的 特点，广泛应用于工农业生产中。 2 1 铅酸蓄电池的基本工作原理 2 1 1 成流反应 对于铅酸蓄电池的反应过程，由于铅酸蓄电池工作在电池的正、负极上反应形成电 流，故称为成流反应。目前公认的成流反应为双硫酸理论： 正极进行的成流反应为： 肋d 2 + 3 h + + h s o ；+ 2 e p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 1 ) 负极进行的成流反应为： 尸6 + h s 0 2 + 2 e 营p b s 0 4 + 2 e + h + ( 2 2 ) 电池总反应为： p 6 0 2 + 肋+ 2 h 2 s 0 4 2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 3 ) 其理论的正确性可从以下三个方面得到证实： ( 1 ) 用化学分析等方法确认正极活性物质的组成为助d ，负极活性物质的组成为 p b ； ( 2 ) 当通过2 f 电量时，测量h 2 s o , $ r 度的变化，相当于消耗了2 个克当量的h 2 s o , 并生成了2 个克当量的h 2 0 ，这与电池的总反应一致； ( 3 ) 根据热力学数据计算电池的电动势，与测量值一致。 从电池的反应式可看出，h 2 s o , 参加电池反应，也是反应物，在某些情况下可能成 为限制电池容量的因素。 一8 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 反应历程 上面的电池反应公式只给出了反应的初态和终态，而没有给出反应的中间过程。 对于负极，较公认的是根据溶解一沉淀机理，中间经过p 6 2 + 离子的过程，可表示为： 充 肋拿肋“+ 知 ( 2 4 ) 敛 放 m “- i - h s o ；e p b s 0 4 + 日+ ( 2 5 ) 根据溶解一沉淀机理，p b s 0 4 的溶解、p b s q 结晶的成核和长大的过程均对负极的 充放电具有重要影响。 对于正极，目前尚未获得公认的机理。 2 2 铅酸蓄电池的基本电特性 2 2 1 蓄电池的电动势和开路电压 电动势是电池在理论上输出能量大小的度量之一。如果其它条件相同，那么电动势 越高的电池，理论上能输出的能量就越大，使用价值就越高。 电池的电动势等于组成电池的两个电极的平衡电位之差，即 e = 妒+ 一9 一( 2 6 ) 式中：e 一电池电动势； 仉一正极的平衡电位； 9 一一负极的平衡电位。 根据热力学数据计算，铅酸蓄电池的电动势为2 0 4 4 v 。因此，通常规定额定开路电 压为2 o v 。则电池电动势e ： e ：e 。+ 罢l n 纽 ( 2 7 ) n f a h 妒 式中：一所有反应物的活度或压力等于1 时的电动势，称为标准电动势( v ) ； 胄一摩尔气体常数，为8 3 1 j ( k m 0 1 ) ： ，一绝对温度( k ) ； ，法拉第常数，为9 6 5 0 0 c m o l ： n 一电化学反应中的电子得失数目； 口一离子浓度。 一9 一 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 、即蓄电池电动势是硫酸浓度的函数，则电池的开路电压也是电解液浓度的函数，电 解液的浓度通常可用其相对密度来衡量。所以铅酸蓄电池开路电压与电解液密度也呈函 数关系，如图2 1 所示： 1 。3 0 i 。2 5 1 加 l - 1 5 1 1 0 1 略 1 8l 为1 9i 舛2 02 略2 1z 1 52 2 开路电压v 图2 1 铅酸蓄电池开路电压与电解液密度关系( 2 5 ) f i g 2 1r e l a t i o n s h i pb c t w no p e n - c i r c u i tv o l t a g ea n d e l e c t r o l y t ed e n s i t yo f i ，e m - a c i db a t t e r y ( 2 5 c ) 电池的开路电压与电解液密度的关系可用下式计算： 开路电压= 1 8 5 0 + 0 9 1 7 ( g g ) 或 开路电压= 密度+ 0 8 4 式中：g 在电池电解液温度条件下，电解液的密度； g 一在电池电解液温度条件下，水的密度。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 电池从全充电状态到全放电状态的电解液密度随放电的a h 成正比例下降。因此， 电解液密度可作为检测电池荷电状态的尺度。开路电压与荷电状态的关系如图2 2 所示。 1 0 一 b o 密度 大连理工大学硕士学位论文 2 2 5 2 2 2 1 5 2 d i ” 1 如 1 02 0 加4 05 0 知加如1 0 荷电状态( 2 0 c ) 图2 2 铅酸蓄电池开路电压与荷电状态关系( 2 5 ) f i g 2 2r e l a t i o n s h i pb e t w e e no p e n - c i r c u i tv o l t a g ea n d c h a r g e a b i l i t yo f l e a d - a c i db a t t e r y ( 2 5 c ) 对于铅酸蓄电池电动势的计算在实际中存在很多问题。不同厂家生产的铅酸蓄电池 内部结构、参数不尽相同，这样电动势也有所差异。又因为电池在放电过程中产生的极 化使得电池的电动势降低，在不同的放电电流下，电池的极化速度是不同的，大致放电 电流大一些则极化速度快，反之则馒。即铅酸蓄电池的电动势随着放电电流、剩余容量 的变化而变化，这种变化对不同的蓄电池是不同的，对于不同的放电电流也是不同的。 所以，模拟计算电动势的变化十分困难，通过计算电动势来估算蓄电池的剩余容量也是 非常困难的。 在实际应用中，用上面的公式来计算铅酸蓄电池的开路电压也是不大现实的，因为 蓄电池一般处于工作或等待工作的状态。另外，在放电时，t 2 s 0 4 浓度不断下降，电解 液浓度下降、密度降低，这时用电解液反映开路电压会有误差。从电学角度讲，电池工 作过程中检测到的端电压是放电电压，在刚刚停止放电时，由于电池的极化作用，蓄电 池的端电压有个缓慢上升的过程，过一段时间才能达到真正的开路电压值。从化学角度 讲，在放电过程中主体溶液中酸的浓度与电极孔隙中酸的浓度要经历一段时间进行扩散 才能达到平衡。在停止放电后达到平衡时检测的端电压才是开路电压，这个达到平衡要 求的最小时间是放电深度的函数，如图2 3 所示。因此用检测开路电压法来估计蓄电池 的剩余容量有时间的限制，不适于实时检测蓄电池的剩余容量。 开路电压v 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 器 拿 7 5 z 5 d 1 0加如加5 06 07 0 加如l 放电深度 图2 3 酸平衡时间与放电深度关系 f i g 2 3r e l a t i o n s h i p 瞻t 、v 啪a c i de q u i l i b r i u mt i m ea n dd i s c h a r g ed e p t h 2 2 2 工作电压 又称闭环电压或负荷电压、放电电压。指电池接通负荷后在放电过程中所显示的电 压。电池在接通负荷后，由于欧姆电阻和过电位的存在，电池的工作电压将低于开路电 压。电池的放电电压随放电时间的平稳性表示电压精度的高低。充电时的工作电压正好 相反，工作电压高于开路电压，而且随着充电的进行而上升，直至充满。 电池工作电压的数值及平稳程度依赖充放电条件。当高倍率和低温条件下放电时， 电池的工作电压将降低，平稳程度下降；同样充放电电流大则工作电压上升快，平稳程 度下降等。对于铅酸蓄电池的放电电压，在恒流的变化基本上是有规律可循的。但简单 地用放电电压来预测剩余容量是非常困难的，误差较大。 通常，铅酸蓄电池在一定电流下进行充电和放电时，都是用曲线来表示电池的端电 压以及电解液的密度和温度随时间的变化。把这些曲线称为该电池的特性曲线，用来表 示蓄电池的各种特性。特性曲线因电池和极板的种类不同而稍有差异。各制造厂家的产 品在出厂说明书中，一般均给出其充放电曲线。 ( 1 ) 放电曲线 电池的放电电压k 低于开路电压k ，这是由于两极极化和内阻的存在。 k = 一妒一位 ( 2 1 0 ) 式中，9 为溶液稳态扩散浓度过电位。 随着放电的进行，正负两极均产生导电不良的硫酸铅。总的趋势是，随着放电时间 的延续，电池的端电压不断下降。典型的放电曲线如图2 4 所示： 大连理工大学硕士学位论文 蹇 乏 2 6 2 4 2 ，2 2 0 1 8 1 6 i23456789l ol i 1 2 图2 4 铅酸蓄电池典型充放电曲线 f i g 2 4t y p i c a lc h a r g i ga n dd i s c h a r g i n gc u r v eo f , c a d - a c i db a t t e r y ( h l ( 2 ) 充电曲线 e h 电池端电压k 缓慢上升和急剧上升两部分组成，充电电压k 为： k = + 9 + i r ( 2 1 1 ) 对充电曲线( 如图2 4 所示) 的分析和放电曲线类似。在充电后期端电压y 急剧上升， 可达到一恒定值。这时为水的分解，负极产生氢气，正极产生氧气，其恒定值取决于氢 和氧的过电压，正常情况下该恒定值约为2 6 v 。 ( 3 ) 放电率对放电曲线的影响 宦 2 2 0 1 9 1 e 1 7 16 l23456789i di l1 2 图2 5 铅酸蓄电池各种小时率放电曲线( 2 5 c ) f i g 2 5 v a r i o u sh o u r l y - r a t e sd i s c h a r g i n gc u r v eo f l e a d - a c i db a t t e r y ( 2 5 c ) 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 图2 5 给出了铅酸蓄电池在不同放电率下的放电曲线。从中可以看出，一般在放电 率比较高时工作电压和放电容量要高一些。 2 2 3 蓄电池的容量 蓄电池种类很多，性能也各异，其中容量是个很重要的参数【1 4 1 。蓄电池容量的概念 与一般电气设备不同，通常是指充好电的电池，放电至规定的最终电压时，所放出的总 电量或总电能，前者称为安时容量，后者称为瓦时容量。 ( 1 ) 安时容量 当蓄电池以恒流放电时，它的容量等于放电电流，和放电时间r ，( 小时) 的乘积。单 位为安时，即 c - - i ，吲。 ( 2 1 2 ) 如果放电电流不是定值，那么蓄电池的容量为 c = j ：肋 ( 2 1 3 ) 式中：c 一安时容量( a h ) 卜一放电电流( a ) f 一放电时间( h ) ( 2 ) 瓦时容量 电池容量的另一种表示方法叫瓦时容量，它是安时容量与放电期间平均电压的乘 积，即 w = c * u c p = f p u c ， ( 2 1 4 ) 式中：c 安时容量( a h ) 【k 一放电期间的平均电压( v ) 矿一瓦时容量( w h ) 显然，蓄电池的瓦时容量是指蓄电池在整个放电过程中所放出的总电能，它表示蓄 电池做功的能力。 2 2 4 蓄电池内阻 蓄电池的内阻较小，一般可忽略不计。但当用大电流放电时，例如汽车电池起动电 流很大，这时内阻的意义就很大了”4 1 。 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻两部分，二者之和为电池的全内阻。欧姆内阻主 要由电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻组成，它与电池的尺寸、 结构、电极的成型方式、隔膜材质和装配材质和装配的紧度有关。极化内阻指在正极和 大连理工大学硕士学位论文 负极进行电化学反应时，由于极化引起的电阻。极化电阻与电池的工作条件、活性物质 的本性、电极的结构、电池的制造工艺有关。 蓄电池内阻与电动势、端电压和放电电流的关系如下： 驴半 ( 2 其中：r ，为蓄电池内阻 三为蓄电池电动势 u ，为蓄电池端电压 ，为蓄电池放电电流 蓄电池的内阻在放电过程中会增加，而在充电过程中会减少。铅酸蓄电池欧姆内阻 的测定是比较困难的，因为其阻值较低，要求测量仪器具有较高的灵敏度和较强的抗干 扰能力。此外，在测量时，回路内极板和其它一些意外的接触电阻都会引起误差。 2 2 5 蓄电池的使用期限 即蓄电池的使用寿命。蓄电池充电和放电一次称为一个循环周期。蓄电池的使用期 限多用循环数或周期数表示，即在一定放电条件下，当电池容量降至某一规定值前，电 池能承受充放电的次数。 铅酸蓄电池在使用初期，随着充放电次数的增加，其放电容量也增加，逐渐达到最 大值，然后随着放电次数的增加，放电容量将逐渐减少【1 5 】。 铅酸蓄电池的失效是多种因素综合作用的结果。既取决于极板的内在因素，如活性 物质的组成、晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等，也取决于一系列外在因素， 如放电电流密度、电解液浓度和温度、放电深度和维护状况等。 2 3 铅酸蓄电池的剩余容量 2 3 1 剩余容量的概念 铅酸蓄电池的实际容量( a c t u a lc a p a c i t y ) 是个未知参数，它随温度、循环次数、 使用时间等因素的变化而变化。标称容量( i n i t i a lc a p a c i t y ) 只是一个参考值，一般说 来，对于一个长期使用的电池，其实际容量e 小于其初始标称容量c 。因此对于电池 的充电状态，有两种定义方式：一种与电池的实际容量e 相关，称为$ 0 c ，一种与标。 称容量c 。相关，称为$ 0 c 。 基于l a b v i e w 的铅酸蓄电池监测系统的开发 充电状态( s o c ) 是描述电池状态的重要参数，通常把一定温度下电池充电到不能再 吸收能量的状态定义为充电状态1 0 0 ，而将电池再不能放出能量的状态定义为充电状 态0 。由于副反应的存在，蓄电池的充电效率不可能达到1 0 0 1 1 6 1 。铅酸蓄电池的s o c 是这样定义的： s o c = ( c c 。) 1 0 0 ( 2 1 6 ) 式中，c 。表示剩余容量，但由于c ，和c 。都受未来放电状态等因素的影响，一般用 s o c 来表示充电状态：o s o c 。= ( c ，c , ) 1 0 0 ( 2 1 7 ) 剩余容量c ，可如下定义： c = c o q ( 2 1 8 ) 式中，e 为当前状态下已经用掉的容量： e = j ：k l d t ( 2 1 9 ) 式中，k 为不同放电电流下电量的加权系数。 2 3 2 影响剩余容量的因素 铅酸蓄电池的放电过程是一个复杂的电化学变化过程，蓄电池的剩余容量受电解液 的温度、放电电流、充电和电池老化等多种因素的制约。 ( i ) 放电电流( 放电制) 同一蓄电池，以不同的放电制放电时，其容量是不同的。放电制的含义是指用某电 流放电，经过某小时后出现最终电压，就称为某小时放电制。在不同的放电制下，蓄电 池的起始端电压与截止端电压是不同的。其中放电电流越大，则起始端电压和截止端电 压越小、放电容量也越小，反之则越大。 ( 2 ) 放电截止电压 放电截止电压指当电池放电时，电池的电压降低到某点时，如继续放电电池电压会 急剧下降，若持续放电会对电池造成损害。超过截止电压放电叫过度放电。图2 6 为铅 酸蓄电池的典型恒流放电曲线： 大连理工大学硕士学位论文 u 图2 6 铅酸蓄电池典型恒流放电曲线 f i g 2 6t y p i c a lc o n s t a n t - c t u t e = i l td i s c h a r g i n gc u r v eo f l e a d - a c i db a t t e r y ( 3 ) 电解液的温度 温度对蓄电池容量的影响也很大，电解液的温度升高，粘度降低，离子运动速度加 快，扩散速度增加，电阻降低，蓄电池的容量随温度的升高而增加。通常，在2 0 4 0 可获得最好的电流放电特性。而温度过高，自放电加剧和气分解加重，效果也不好。 ( 4 ) 老化 蓄电池在使用一段时间后，它的额定容量会有一定的变化，一开始会有所增加，增 幅大约在5 一2 0 ，接下来的一段时间，电池的容量维持不变。然后其容量会逐渐减少 当电池的容量达到额定容量的8 0 时，可以认为电池的寿命结束。 ( 5 ) 电池的不均衡性 指电池单元之间的质量不同，所造成的容量的差异。在一组电池单元中，所能放出 的容量，由实际容量最小的电池单元决定。这就是所谓的。水桶效应”【m 。 ( 6 ) 设计参数 包括板栅的结构、厚度、材料等，电池的内部布局，极板的表面积，孔隙率特别是 电池的电解液浓度对蓄电池的容量都有较大的影响【峙】。 2 3 3 剩余容量的常用估算方法 随着铅酸蓄电池的广泛应用，如何判断蓄电池的剩余容量成为广大用户极为关注的 问题。准确地估算蓄电池的剩余容量，合理利用蓄电池提供的