（电气工程专业论文）蓄电池监控系统的设计和实现.pdf

中文摘要 蓄电池监控系统将电力电子技术、小信号测量技术、相敏检波技术、锁定放 大技术及计算机控制技术结合起来，本文采用了高性能的m o t o r o l a 3 2 位单片机 m c 6 8 3 3 2 作为控制核心，使用了大屏幕汉化液晶作为显示界面，采用单片机抗 干扰技术、数字滤波算法以及压频转换电路等作为抗干扰措施，使系统不仅具有 测量准确、功能强大、操作简单、全中文显示等特点，还有较强的抗干扰能力、 可靠性高等特点。 论文对密封免维护铅酸蓄电池的各种性能参数及其相互关系进行了分析，给 出了相关的特性曲线。对废旧蓄电池的复活及密封免维护铅酸蓄电池在应用中应 注意的问题也作了相关的论述。 论文采用微机分布式控制和模块化设计方案，对蓄电池的电压、电流、温度 和内阻等参数进行巡回监测。对蓄电池内阻测量方法进行了详尽分析，比较了直 流法和交流法的优缺点。给出了蓄电池的内阻模型。采用了四线法，有效地消除 了测量导线对内阻测量的影响。给出了蓄电池内阻和容量的关系曲线，实现了蓄 电池内阻的在线测量和蓄电池剩余容量的在线估算。详细介绍了蓄电池内阻的测 量原理及蓄电池失效机理。根据蓄电池的各项参数( 电压、电流、温度和内阻等) ， 采用合理的算法实现了对蓄电池性能的评估，可显示蓄电池性能曲线及趋势图。 设置了故障告警和保护电路以及维护程序，提高了系统的智能型和可靠性。设计 了较为详尽的软件流程图和有关的程序显示界面。对蓄电池的智能化管理也作了 介绍。 关键词：蓄电池；内阻；在线测量；相敏检波 a bs t r a c t t h es y s t e mo fb a t t e r ys u p e r v i s i n ga n dm e a s u r i n gs y n t h e s i z e sm a n ya d v a n c e d t e c h n o l o g i e s ，s u c ha sp o w e re l e c t r o n i c s ，s m a l ls i g n a lm e a s u r e m e n t ，p h a s e s e n s i t i v e d e l e t i o n ，l o c k - i na m p l i f i c a t i o n ，c o m p u t e rc o n t r o la n ds oo n a st h em o t o r o l a3 2 一b i t s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r , m c 6 8 3 3 2i su s e da st h ec o r eo fc o n t r 0 1 u s eal a r g es i z e l c ds c r e e nt ov i e wi n t e r f a c e t h ed e s i g no fs c m sa n t i - j a m m i n g ，t h ea r i t h m e t i co f d i 西t a l f i l t e r i n ga n dt h ec i r c u i to fv o l t a g e f r e q u e n c yt r a n s f o r m i n ga lei n t r o d u c e da s a n t i - j a m m i n gm e a s u r e s t h i sm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n th a sal o to fa d v a n t a g e s ，s u c h 够 a c c u r a t em e a s u r e m e n t ，p o w e r f u lf u n c t i o n s ，e a s yt oo p e r a t e ，c h i n e s ev i e wa n ds oo n b e s i d e s ，i th a sa l s os o m ea d v a n t a g e s ，s u c h 弱g o o dp e r f o r m a n c eo fa n t i - j a m m i n g ， h i g hr e l i a b i l i t ya n d s oo n a n a l y z et h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa n dt h e i n t e r r e l a t i o no ft h es e a l e d m a i n t e n a n c e f r e el e a da c i d s t o r a g eb a t t e r y i n d e t a i l ，a n dg i v e t h ec o h e r e n t p e r f o r m a n c ec u r v eo fb a t t e r y i ti sa l s od i s c u s s e da b o u th o wt oa c t i v a t et h ei n v a l i d b a r e r ya n ds o m en o t i c e a b l ep r o b l e m si np r a c t i c e m e a s u r et h ep a r a m e t e r so fb a t t e r y , i n c l u d i n gv o l t a g e ，c u r r e n t ，t e m p e r a t u r ea n d i n t e r n a lr e s i s t a n c e ，b yu s i n gd i s t r i b u t e dc o n t r o lm e t h o da n dm o d u l a r i z i n gd e s i g n a n a l y z et h em e a s u r e m e n tm e t h o d so f t h ei n t e r n a lr e s i s t a n c eo fb a k e r yi nd e t a i l ，a n d c o m p a r et h es p e c i f i c a t i o no fd j j r e c tc u r r e n tw a ya n da l t e r n a t i n gc u r r e n tw a y g i v et h e m e t h o do ft h ei n t e r n a lr e s i s t a n c eo fb a t t e r y u s i n gt h ef o u rt e r m i n a lm e t h o d s ，r e m o v e e f f e c t i v e l yt h ei n f l u e n c ef r o mt h em e a s u r e m e n tl i n e g i v et h er e l a t i o nc u r v eo ft h e i n t e r n a lr e s i s t a n c ea n dc a p a c i t y m e a s u r et h ei n t e r n a lr e s i s t a n c eo fb a t t e r yo nl i n ea n d c a l c u l a t et h er e m a i n d e rc a p a c i t yo fb a t t e r y d e m o n s t r a t et h ep r i n c i p l eo fm e a s u r i n g t h ei n t e r n a lr e s i s t a n c eo f b a t t e r ya n dt h ei n v a l i d i t yo fb a r e r y a c c o r d i n gt oa l lk i n d so f p a r a m e t e r so fs e c o n d a r yb a t t e r y , a s s e s st h ep e r f o r m a n c eo fb a t t e r yb yu s i n gr a t i o n a l c a l c u l a t i o nm e t h o d i tc a nv i e wt h ec u r v eo fb a t t e r yp e r f o r m a n c ea n dt r e n dl i n e h a v i n gg o o df a u l t a l a r m ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dm a i n t e n a n c ep r o g r a m ，e n h a n c et h e i n t e l l i g e n c ea n dr e l i a b i l i t yo fs y s t e m d e s i g ns o m ec o h e r e n tg r a p ho fp r o g r a ma n d f l o wc h a r to fs o f ii nd e t a i l i n t r o d u c et h ei n t e l l e c t u a lm a n a g eo fs t o r a g eb a t t e r y k e yw o r d s ：b a t t e r y ，i n t e r n a lr e s i s t a n c e ，m e 觥e m e n to nl i n e ，p h a s e - s e n s i t i v ed e t e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得吞洼盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：嗜；铸乒 签字日期：叨7 年6 月，乡厶自 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盎鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 嗜诗乒 签字日期：力劫年易月，牛同 导师签名： 弓睨左 签字嗍习年6 月，只 天津大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 蓄电池监控系统研制的背景 随着电力系统自动化水平的不断提高，各种电压等级的变电站实现无人值守 已成为必然。特别是在城乡电网改造的过程中，各种变电站都要求实现四遥功能 ( 即遥测、遥信、遥控和遥调) ，以实现变电站的综合自动化控制。在变电站中， 有一种为继电保护、各种电磁机构、事故照明等提供动力的设备，被称为直流屏 ( 或直流操作电源) 。为了保证变电站在直流操作电源的交流输入断电和输出出 现故障而无直流输出时，各种操作机构、照明设备和动力与监控设备处于正常工 作状态，一般直流操作电源都设计有后备电源一一最常用的就是蓄电池组。通常 情况下，在1 1 0 k v 以上的高压变电站中，直流操作电源基本上都选用进口蓄电 池约占3 0 ，由此，我们不难看出蓄电池在变电站直流操作电源系统中的重要地 位。如何对蓄电池进行有效管理，以发挥蓄电池的最佳功效，同时在蓄电池放电 到极限时保护蓄电池，以及如何通过信道将蓄电池的各种状态信息实时地传输到 后台机监控系统就成为了一个很有意义的课题。同时该方案稍加改动，可以应用 在中国联通、中国移动的各个动力基站以及中国电信、铁路通信的动力分局等通 信电源系统中。 阀控式密封铅酸蓄电池( i ，a ) 近几年在电信部门和电力部门大量投入使 用，由于其无污染、少维护等特点，目前已全面取代了传统蓄电池。但近几年各 地厂商纷起，v r l a 蓄电池质量参差不齐，而早期运行的蓄电池也已接近寿命终 期，因此迫切需要找到检测v r l a 蓄电池的合适方法。 v r l a 蓄电池最初被认为是免维护的，同时安装地点大都是原传统蓄电池的 安装房，运行参数也习惯地沿用敞口蓄电池的指标。我们在1 9 9 8 年7 1 2 月对 广东省邮电系统和电力系统i i a 蓄电池的普查中发现，影响蓄电池运行性能 的因素主要有： 1 蓄电池选型配组； 2 串并联方式； 3 安装时连接电缆与螺钉的松紧； 4 调试时浮充电压值与均充电压值的设定； 5 蓄电池外环境，如湿度、通风、蓄电池有无过放过充； 第一章绪论 6 充电机纹波系数大小，是否有均充功能。 上述现象在8 5 的局站都不同程度地存在，也是造成v r l a 蓄电池单体之 间容量衰减不齐的原因。 由于有些重要的设备是不允许停电的，如果一旦停电，而后备蓄电池由于性 能的下降而不能可靠供电，就可能造成很大的事故。所以后备蓄电池必须进行周 期性的维护，对蓄电池性能进行定期的检测，以便及早发现性能下降的蓄电池， 进行特别的处理或更换。 1 2 蓄电池监控系统的现状及发展趋势 直流系统在发电厂、变电所、邮电、通信等系统中占有举足轻重的地位，而 蓄电池的管理水平则在很大程度上影响着直流系统的可靠性与自动化程度。由于 我国电信和电力在最近几年的迅猛发展，蓄电池在这些部门中的用量越来越大， 为蓄电池监测系统设备生产厂家提供了广阔的市场空间。 目前，直流系统中采用的后备蓄电池普遍采用的是阀控免维护密封铅酸蓄电 池，由于采用了先进的工艺和方法，使蓄电池不用定时地加水，做到了免维护， 同时，由于采用了密封的结构，一些传统的监测蓄电池的方法就不行了，如测量 电解液的密度、温度等，于是就需要使用一些新的方法来实现密封蓄电池的监测。 为了实现对蓄电池系统的有效维护，国内外的大量科技人员研制了很多方法 来检测蓄电池性能，如容量放电法、电压巡检法、湿度测量法、电导测量法、中 点法、放电曲线及内阻法等等。在实际应用中，上述方法各有利弊，较为常见的 方法主要有：容量放电法、电压巡检法。但容量放电法一般需要较长的时间，而 电压巡检法往往很难真实地反映蓄电池的运行状况。由于这两种方法的电路原理 比较简单，所以目前国内很多蓄电池测试仪厂家都是采用了这两个种方法来实现 蓄电池的维护。而国外的很多著名的蓄电池测试设备生产厂家很早就开始研究蓄 电池内阻与其性能的关系，并取得了很多可喜的成果，将其运用到实践当中，取 得了较好的效果。目前，国内也有少数厂家正在进行此项研究。用内阻检测法判 定蓄电池性能，实现免维护密封铅酸蓄电池的在线维护，是目前公认的最佳方案 之一。但由于蓄电池的内阻一般都很小，满容量时，内阻一般为几个毫欧，甚至 零点几个毫欧，一般4 0 0 a h 的蓄电池内阻大约为0 5 毫欧左右，因此内阻法在实 现时有较大的技术难度 目前，在国外对蓄电池内阻与容量的关系的研究正方兴未艾，相关的产品也 有不少，如美国a l b c r 公司、日本日置公司等都有相应的产品，但由于蓄电池内 阻很小，并且蓄电池容量的变化是一个很复杂的电化学反应过程，所以内阻测量 2 天津大学工程预十学位论文 和容量预估的精度很难做到很高。 最近几年，蓄电池监测系统的发展逐步趋向于设备的轻便小型化、高可靠性、 远程控制等，进一步优化蓄电池的智能化管理、延长蓄电池的使用寿命是蓄电池 监测系统的首要任务之一。另外，迄今为止，蓄电池容量的计算，国际上还没有 一种公认的简便快捷的方法，这也是需要以后大力研究的一个方向。 1 3 蓄电池参数的在线监测 蓄电池需要监测的主要参数有：单体蓄电池电压、单体蓄电池温度、蓄电池 充放电电流、环境温度、整组蓄电池电压和蓄电池内阻等。电压、温度、电流等 参数都是蓄电池的外部参数，可以直接进行测量，但是由于蓄电池是密封的，我 们所测的蓄电池温度主要是指蓄电池的表面温度。蓄电池内阻则是蓄电池的内部 参数，不能直接测量，需要精密的测量仪器和先进的算法才能得到。 v r l a b 在后备电源中的运行监测存在两类参数，一类是v r l a b 在线运行 参数，一类是v r l a b 内部参数，这是两类完全不同概念的参数。 在线运行参数是外部施加给蓄电池组的、外部可以调控的参数，如浮充电流 及浮充电压。v r l a b 内部参数是蓄电池固有的、真实表征蓄电池性能的参数， 如蓄电池的内阻、容量。 在后备电源中，v r l a b 浮充电压、充电电流及温度是蓄电池运行的重要参 数。这些参数的准确性及科学性可以确保v r l a b 的长期可靠运行，是蓄电池安 全可靠的必备条件。所以目前一些动力环境系统中都将此类运行参数做为必测项 目，并加以严密的监测和管理。 但在线运行参数，仅仅是安全运行的必备条件之一，对v r l a b 的内部原有 性能，不能准确反映。如果要实现对v r l a b 的科学化的监测管理，就不但需要 监测在线运行参数，而且还必须监测v r l a b 的内部参数。因为蓄电池内部参数 才能真正表征v r l a b 的性能优劣，但由于此类参数在测量时的困难性一直令人 们非常头疼，人们只能寄希望于运行参数，但在实际运行中，人们发现即使在线 运行参数行以保证，但仍无法准确掌握v r l a b 性能劣化趋势及失效状况。所以 在一些行业也只能退而求其次，久而久之，便形成一个误区即通过监测管理 v r l a b 的运行参数，即能监测v r l a b 的性能状况，这是完全错误的。 1 4 蓄电池内阻的检测及容量的实时快速计算 目前，电力系统中蓄电池常用的检测方法就是平时测量蓄电池的端电压及每 第一章绪论 年进行容量核对性放电，显然平时浮充状态下的端电压测量是难以反映蓄电池的 好坏的，即使性能差的蓄电池在浮充时也能测得合格的电压，而一旦停电需放电 时，该蓄电池就可能无法保证事故状态下放电要求，从而扩大事故范围。针对电 力系统的用电要求，直流系统中蓄电池必须能够提供足够大的瞬间电流和长期的 小电流放电，即要求有较小的内阻和较大的容量。根据大量的研究表明，蓄电池 内阻和蓄电池容量存在密切的关系，一般而言，蓄电池的容量越大，内阻就越小。 内阻测量是一个比较复杂的过程，目前主要有两种方法，即直流法和交流法。 直流法就是对蓄电池进行瞬间大电流( 一般为几十到上千安培) 放电，测量蓄电 池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出蓄电池内阻。交流法就是蓄电池注入一 个低频小电流的交流测试信号，然后检测出相应的电压和电流，从而计算出蓄电 池的内阻。 由于蓄电池的容量与蓄电池内阻存在密切的关系，可以通过蓄电池内阻的测 量对蓄电池的容量进行在线预估。 1 5 本课题的主要工作 根据国内外蓄电池监测系统的概况，以及电力、邮电、铁路等系统自动化的 要求，本课题将要完成以下几方面工作： 1 、研究密封免维护铅酸蓄电池的放电特性、充电特性、内阻特性等性能、 参数以及容量、寿命与充放电电流、电压和温度等参数的相互关系，为进一步的 系统设计打下基础。 2 、为了对蓄电池进行有效的监测与管理，在蓄电池监测系统中，拟采用微 机分布式控制方法，将整个系统分为n 个数据采集单元部分、内阻监测单元部 分和显示控制单元部分。数据采集单元部分主要负责采集蓄电池运行的基本参 数，包括电压、电流和温度。采用继电器隔离克服了蓄电池级高共模电压的问题， 采用高速高精度压频转换器来实现模拟量参数向数字量的转化。内阻检测单元部 分主要是采集蓄电池的内阻，运用小信号测量技术，即在蓄电池中注入低频小电 流的交流信号，然后检测出相应的电流与电压，从而计算出蓄电池的内阻。在找 出了蓄电池的内阻等效模型的基础上，分析蓄电池的失效机理，找出蓄电池内阻 与容量的关系曲线，并且利用其关系曲线实现蓄电池容量的在线预估。显示控制 单元部分主要负责系统数据的显示( 要有汉化的显示界面) 、系统控制及与上信 机通信等功能。它向每个数据采集单元、内阻监测单元发出启动采集与监测命令， 并获取这些测量数据，进行分析和显示；当上级监控系统或远程测控中心召唤蓄 电池信息时，将上发蓄电池的相关运行参数及告警信息。 4 天津大学工程硕士学位论文 3 、由于蓄电池监测系统的应用环境比较恶劣，在系统设计中，将采取一系 列的抗干扰措施，包括采用压频转换电路、m a x i m 公司的可编程通用开关电容 有源滤波器、u p 监控芯片、锁定放大电路等等和单片机中的抗干扰问题和数字 滤波方法，以及有关的软件算法。 4 、为了提高蓄电池监测系统的现场可操作性以及维护方便，在每个功能单 元上将设计维护接口，使用户可通过笔记本电脑实现在线更换主程序或系统参数 等功能。 第二章密封免维护铅酸蓄电池的特性 第二章密封免维护铅酸蓄电池的特性 本章主要介绍密封免维护铅酸蓄电池的各种特性，给出较为详尽的特性曲线 及相关的分析说明，对实际应用中应注意的问题及废旧蓄电池的复活也作了较为 详尽的陈述。 2 1 概述 自1 8 5 9 年普兰特( p l a n t e ) 发明了铅酸蓄电池以来，铅酸蓄电池技术一直在不 断发展和完善。上世纪3 0 年代，阿道夫德勒斯( a d o l p hk a s s l e 0 获得第一个密封 铅蓄电池的雏形的专利，1 9 5 1 年纽曼( n e u m m a n ) 等人在美国申请了相关专利。 6 0 年代世界上许多公司应用这些专利制造了第一代密封铅酸蓄电池。从7 0 年代 末开始，国际上兴起了全密闭的铅酸蓄电池，这种蓄电池可与碱性蓄电池和干电 池相竞争。它具有免维护、不污染而且价廉的优点。因此，它被视为电子仪器和 工业现代产品配套的理想直流电源。当今，美国、日本、德国等工业发达国家都 有自己的系列。我国开发较晚，从1 9 8 5 年开始有少量产品投放市场，现在已经 有许多系列品牌。目前，免维护密封铅酸蓄电池已经广泛地运用到电力、电信、 汽车和医疗器械等领域。 密封铅酸蓄电池的特点： 1 、全密封，采用了新型合金，提高了析氢过电位，减少了氢气的析出；采 用超细玻璃纤维隔板，在无游离酸的情况下，使氧气内部循环再复合，无气体排 出；安全阀的使用可防止外部氧气进入蓄电池内部； 2 、免维护，运行中无需加酸和水； 3 、放电性能高，容量大，适合大电流放电使用；由于采用优质材料，自放 电小。有较高的能量密度，具有良好的充电接受能力。适用于较宽的温度范围工 作。单体蓄电池具有较好的均匀性，其开路电压差小于3 0 毫伏； 4 、长寿命，由于采用新型合金材料，紧装配，避免活物质脱落，合理的设 计结构。一般2 v 蓄电池系列设计使用寿命为1 0 - - - 1 2 年，1 2 v 蓄电池设计使用 ，寿命为3 - 5 年； 5 、安全性，正常使用无酸液渗漏或酸雾溢出；采用安全阀及滤酸片，可防 止火花引起蓄电池爆炸；蓄电池内部压力达到限定时，安全阀自动开启而排气， 6 天津大学工程硕士学位论文 低于另一限定值时，安全阀自动关闭，蓄电池可立放，也可卧放使用。 2 2 密封免维护铅酸蓄电池的特性 2 2 1 铅酸蓄电池的放电特性 1 、放电曲线 三种电压等级的单体蓄电池的放电曲线如图2 1 和图2 2 所示。 2 v 电雪皇6 调瞒 氏p：c 1 3 一b j 1 2 _ _ o 擎”o 。驺 露 l ”籀量。铀 譬盂一 s 毫蜃i 4 0 。： 孓：= = ：孓 。o 、 、 、 一 、 z、，j 一、 、； 、 、 ； ，卜。； 、 。“- o - o c l 卫l ； - _ - 蚴 7 ， 0 越 ! i 。妙 ：苎c i ：弋 j ， _ ， ；c ，e 冀砷2 睁4 06 0：4蔷蠢l 凸2 0 l - 劈p l _ 喇_ 麓毫一 。 图2 - 11 2 v 、6 v 蓄电池放电特性曲线 | l 囊掌l l l i 珊h 融 i 一薏一一 i 、 l 一、 k 、 气 ，_ t 、 秘孵 t 、 晨： 媳4 型- 队 f 州 。l - 曾t - - 囊一翱 鬃毛舛 图2 - 22 v 蓄电池放电特性曲线 2 、放电终止电压与放电电流的关系 放电终止电压与放电电流的关系如表2 1 所示： 第二章密封免维护铅酸蓄电池的特性 表2 1 放电终止电压与放电电流的关系 放电电流( a )终止电压( v ) 2 v6 v1 2 v 小于0 0 5 c 或间歇放电1 9 05 7 01 1 4 0 0 0 5 c ( 2 0 h 率) 1 8 05 4 01 0 8 0 0 i c ( | 0 h 率) 1 8 05 4 01 0 8 0 o 1 7 c ( 5 h 率) 1 8 05 4 01 0 8 0 0 2 5 c ( 3 h 率) 1 8 05 4 01 0 8 0 0 5 5 c ( i h 率) 1 7 55 2 51 0 5 0 0 6 c 到3 c 1 6 04 8 0 9 6 0 大于3 c 1 3 03 9 07 8 0 3 、放电容量与温度的关系 蓄电池放电容量与环境温度有关，二者的关系曲线如图2 3 所示。温度低， 放电容量低；温度高，放电容量大，但过高的温度会严重损坏蓄电池的寿命。蓄 电池的最佳工作温度为2 0 0 c 2 5 0 c 。一定温度下，放电容量e 与2 5 0 c 时放电容 量g ，关系为 c 2 5 = c t 1 + k ( t 一2 5 ) 】 ( 2 - 1 ) 式中，k 为温度系数。1 0 小时率放电k = o 0 0 6 o c ，3 小时率放电k - 0 0 0 8 o c ，i 小时率放电k = o 0 1 o c 。 囊 窭 l ， 、 1 q 譬“梦 - - - - - - z - - , ，一二孑乏 面丽。 l 。 多 鲣妄! 坠 一一， - ，一 谚 一丽殛 - 一，。 ：r _ _ ，一，一 l ，一一 l 图2 - 3 放电容量与温度的关系曲线 8 天津大学工程硕士学位论文 2 2 2 充电特性 对于蓄电池的使用，充电条件是重要的因素之一，蓄电池性能和使用寿命直 接与使用过程中的充电方法和充电参数有关。蓄电池一般应在5 , - 一3 0 0 c 范围内进 行充电，低于5 0 c 或高于3 5 0 c 都可能因充电不足或过热而降低寿命。 1 、循环使用 循环使用的蓄电池，可用恒压限流法充电。2 5 0 c 时，6 v 系列蓄电池充电电 压为7 2 0 - - 一一7 5 0 w 只，1 2 v 系列蓄电池充电电压为1 4 4 1 5 o v 只，2 v 蓄电池充 电电压为2 3 5 v 只，初始充电电流为0 i c ( c 为蓄电池容量安时数) ，一般充电 2 4 小时即可充足。充电末期，充电电流值连续3 小时无变化，已表明蓄电池充 足电，充电曲线见图2 - 4 。 甚i 萋；簿，嚣 娩曩& t 镕髓瓢m 甜一一珏。c l 一 i ： ，知 弋“i t l厂 。i 1 f ， i 鼍争噩毒 摹拍 一 i # l 考，： w 彗鼍& 叫口q | 锄-目 j 1 钟 s 戡柚吨蠢 l l1 、 l i 、 、，- - 窟牟| 毫蔗 一 0 t ijtl# 罾强粥砧狮辩砷辩哺 秘娜 霸瓣l 辩l 图2 4 蓄电池充电特性曲线 茎 ： i 。l 善 “ 褂 r 姐 斟 。甜 埔 - 镰 2 、浮充使用 浮充使用的蓄电池，也可采用恒压限流法充电。初始充电电流为0 i c 浮充 特性曲线如图2 5 所示 ( 1 ) 2 5 0 c 时，6 v 蓄电池浮充电压为6 7 5 - 6 9 0 w 只，1 2 v 蓄电池浮充电压 为1 3 5 - - - 1 3 8 w 只。2 v 蓄电池浮充电压为2 2 5 w 只。 ( 2 ) 环境温度变化时，必须对浮充电压进行调整，其校正系数为3 m v o c ， 即 形- - 2 2 5 - 0 0 0 3 ( t - 2 5 ) 拧 ( 2 2 ) 式中，刀为蓄电池单格数，即单格浮充电压必须在2 2 3 - 2 3 1 v 范围内。 第二章密封免维护铅酸蓄电池的特性 图2 - 5 蓄电池浮充特性曲线 3 、均衡充电 蓄电池正常使用时，需要进行均衡充电，当整组蓄电池出现浮充电压偏差大 于0 i v 单格或个别单体电压过低小于2 2 0 v 单格以及深放电等情况，需进行均 衡充电，充电电压为2 3 5 v 单格，初始充电电流为o 1 c a 。 4 、补充充电 蓄电池长期储存时，由于自放电容量逐渐损失，其容量保持率与温度时间关 系曲线见图2 6 。 伽 币竞辣览舻；伊却罱钨鞠嘲窍一。 飞 壁啊孺潺”危燕匀巧， 、 。 2 s c 蜘完蠡，吧宅8 8 - 嚣 蕊羹 、更电韬甜，巧袅z 老 、 淞j x x ，；：v 节缮孽慧跨毫冀嚎，曼；也 3 犷c ，：犍上，“，时孽鼋畸i 穹套嚣l 出敬 3 油粥 璇l 垮霉8 一 刊墩 d o 。c 豫捷_ 遇野种鬈啦l 垮瑚琵堡臻囊窖一的 谚瞬c 币爱菘选辑燕停车放置l 02 l 68 1 0 住 s 妇嘲et i m e ( m o f l t h s ) 煞危辫甜1 只； 图2 - 6 蓄电池容量保持特性曲线 补充充电采用恒压限流方式，通常初始电流为0 0 5 c ，6 v 系列充电电压为 7 2 0 - - 7 5 0 v ，1 2 v 系列充电电压为1 4 4 - 1 5 o v 只，2 v 系列充电电压为2 3 5 w 只，通常充电2 0 小时即可充足。 1 0 定m基ic芒柏 酶 铀 m o 盼 的 勰 o mie鼍茁荟ng ca譬如奄一g 拽存；i叠一鼙- 天津大学工程硕士学位论文 2 2 3内阻特性 蓄电池的内阻随充电状态变化，通常充足电后，内阻最小，放完电时内阻最 大。 2 2 4 寿命 l 、循环寿命 许多因素影响蓄电池的循环寿命，其中最主要的是放电深度与工作温度。循 环次数和放电深度关系如图2 7 所示。温度升高将加速蓄电池板栅腐蚀速度及电 解液的分解，这样就会缩短蓄电池的寿命。 低温充电时，将产生氢气，使电解液减少，缩短蓄电池的寿命。尽管蓄电池 可在1 5 0 c 4 5 0 c 范围内工作，但最佳使用温度范围为2 0 0 c , - - - , 2 5 0 c 。 。c ：；“ 一”+ t 吣，、- - 、= ，一? 3 ： 。r ? 参4 ，- 一 一、。4 j ：曝： 二爱0 囊 i 、 r v ，。r 一、_ h心“磐乏 l o 溅泓 -， t 3 猫薅j+ = 一： 4 ；。f 弋 0 二t ：。t 。：一二。一 ， 7 ：? 47 i 二? 、； ，t ；- k 州 ：；：? ?：j 楚； 。j 警t ：。：j ：“ ，v 2 、浮充寿命 2 0 1 0 5 0 5 图2 7 循环寿命与放电深度的关系曲线 心 浔冤难匿 7 v j 穗 f t o 村斟- v o t r a g e l 27 们州 、 心 心、 q t e m p e r a t u r e ( c l 图2 8 浮充寿命与温度的关系曲线 o m 协i g ，甬o c f e i y m r ) 第二章密封免维护铅酸蓄电池的特性 浮充寿命与温度的关系曲线如图2 8 所示。在2 0 。c - - 一2 5 0 c 及推荐的浮充电 压条件下，2 v 系列蓄电池设计寿命为l o 1 2 年，6 v 与1 2 v 系列蓄电池设计寿 命为3 5 年，实际使用中，深度放电，频繁放电，不正确的浮充电压将直接影 响蓄电池的使用寿命。 2 3 蓄电池的使用注意事项及废旧电池的复活处理 尽管随着密封免维护蓄电池制造技术的不断改进和完善，它们的预期使用寿 命已从原来的4 5 年提高到1 0 - , 2 0 年。然而，大量的现场运行实践说明，因种 种原因并非所有用户的蓄电池的使用寿命真正可以达到厂家所预期的值。为了使 密封免维护蓄电池的实际可供使用的容量尽可能的保持不下降，以保持蓄电池的 充放电池的充放电特性不会随时间的增长而明显恶化，从而达到延长蓄电池组的 寿命的目的，在日常的蓄电池维护过程中就注意以下几点： 1 、避免蓄电池被过电流充电，因为过度充电易于造成蓄电池内部的正负极 板的弯曲和极板表面上的活性物质脱落。其后果轻时会造成蓄电池可供使用容量 下降，严重时会因造成蓄电池内部极板短路而损坏蓄电池。对于密封免维护蓄电 池来说，其推荐的最佳充电电流为0 1 c 左右。一般说来，如果充电电流超过0 2 c 以上，就意味着程度不同的发生了过度充电的现象，这时会导致蓄电池的壳体温 度明显上升，从而使蓄电池的实际残余容量( 安时) 值迅速下降。 2 、避免使蓄电池产生短路放电或过度放电。过度放电会造成蓄电池内部极 板表面的硫酸盐化，其结果是导致蓄电池的内阻增大。严重时，甚至会使个别蓄 电池产生“反极”现象和蓄电池的永久损坏。 3 、避免蓄电池被过压充电。过压充电往往会造成m 型蓄电池中的电解液所 含的水被大量的电解分离成氢和氧气而逸出，从而导致蓄电池使用寿命的缩短。 对于绝大多数标称工作电压为1 2 伏的密封免维护蓄电池而言，它们所推荐的蓄 电池浮充电压为1 3 5 伏，最多不宜超过1 3 8 伏。在这里需特别说明的是：除了 因充电器的充电电压过高会导致过压充电事故的产生外，如下两种情况同样会导 致过压充电的现象往往容易被人们忽视： ( 1 ) 当蓄电池处于充电状态下运行且环境温度偏高时：密封免维护蓄电池生 产厂家所推荐的蓄电池运行温度范围为2 0 0 c 士5 0 c 每若条件允许，应将环境温度 控制在2 0 0 c - 、一2 5 0 c 之间。温度偏高会大大缩短蓄电池的寿命，温度偏低会降低 蓄电池的有效容量值。蓄电池的最高温度极限为5 5 0 c 左右( 注：有关蓄电池的 所有技术参数都是在2 0 0 c 的条件下测得的) 。运行实践证明蓄电池在1 5 。c 2 5 0 c 的温度范围内运行，浮充充电电压值没有必要随温度的变化而进行变化， 1 2 天津大学工程硕士学位论文 如果蓄电池的运行温度不能确保在此范围内，则必须进行充电电压的调整( 对 2 v 的单元蓄电池而言，它的温度校正系数为5 m v o c ) 当蓄电池处于浮充工作 状态时( 对于2 v 单元蓄电池和1 2 v 单元蓄电池而言) ，应按表2 2 的规律对充 电器的浮充电压值进行调整。 从表2 2 中可见，对普通的电源系统而言，由于充电器的浮充电压被固定在 1 3 5 v * n 的数据上( 注：n 为电源系统中的1 2 v 单元蓄电池的总的串联节数) 。 所以，如果环境温度偏高，势必使蓄电池组处于过压充电的状态。显然，这会导 致蓄电池使用寿命的缩短，给用户带来不必要的经济损失。因此，在蓄电池的监 测系统中设置温度的补偿调节功能是很有必要的。这样，用户似乎可以将蓄电池 系统置于任何工作环境中运行而无后顾之优了，其实这是一种误解，其原因是： 在蓄电池监测系统中对温度的补偿调节功能，它固然能保证把蓄电池的浮充电压 总是控制在它所允许的工作范围之内，再也不会产生过压充电的事故，然而该调 控技术解决不了因环境工作温度过高而导致蓄电池的储存寿命缩短的问题。因 此，即使对于那些配置了温度补偿调节功能的蓄电池监测系统而言，用户也应尽 量将环境温度控制在2 0 0 c - 2 5 0 c 之内。 表2 2 蓄电池浮充电压随环境工作温度变化表 蓄电池工作温度( 。c ) 2 v 蓄电池浮充电压( v )1 2 v 蓄电池浮充电压( v ) 1 02 4 31 4 5 8 02 3 61 4 1 6 1 02 3 l1 3 8 6 2 02 2 51 3 5 3 02 2 01 3 2 4 02 1 61 2 9 6 ( 2 ) 充电器输出的直流电源上的交流纹波分量过大。过大的交流纹波成分通 过蓄电池，会导致蓄电池处于暂时过压充电状态，并随之而使蓄电池产生额外的 温升，使蓄电池的极板产生应力，严重时会加速蓄电池的损坏。由这种故障而导 致蓄电池被损坏的特征是蓄电池的塑料外壳发生外鼓现象。 第三章蓄电池监控系统的研制 第三章蓄电池监控系统的研制 本章主要介绍了蓄电池监控系统的总体结构及工作原理，详细阐述了数据采 集单元、内阻采集单元和显示控制单元的工作原理及程序流程，介绍了蓄电池容 量在线估算方法及软件实现的过程；对单片机中用到的数字滤波算法进行了较为 详细的分析；介绍了系统维护程序流程及通信数据格式等内容；对蓄电池的智能 化管理作了阐述。 3 1 总体结构及工作原理 3 1 1 概述 如图3 1 所示为蓄电池监控系统的结构框图： 图3 - 1 蓄电池监测系统结构框图 整个系统由三部分组成：数据采集单元、内阻检测单元和显示控制单元。其 中数据采集单元主要采集蓄电池电压、电流和温度。内阻检测单元主要采集蓄电 池的内阻。显示控制单元主要显示有关蓄电池参数、采集数据采集单元和内阻检 测单元的信息并与上微机进行通信，将蓄电池的有关信息远传至上级监控设备。 系统的工作过程：整个系统以控制显示单元为控制核心，其内部有一个3 2 位的单片机m c 6 8 3 3 2 和2 5 6 k 的大容量n v r a m ( 掉电信息不丢失) 。在一般情 1 4 天津大学工程硕士学位论文 况下，所有的采集单元均处于睡眠状态，不进行数据的采集，而显示控制单元也 只是显示内存中的有关蓄电池数据，并保持与上位机的通信。在显示控制单元内 部设有定时程序，一旦定时时间达到预先设定的时间( 通常为3 0 - - - 6 0 分钟) ，显 示控制单元就开始下发数据采集命令。首先向设定为第l 号的数据采集单元下发 采集命令，当第l 号数据采集单元的所有通道均采集完毕将会向显示控制单元上 发采集到的蓄电池参数数据，显示控制单元正确接收完此批数据后将向第2 号数 据采集单元下发数据采集命令，然后重复上面的过程，直到所有的数据采集单元 均采集完毕后，显示控制单元就开始向内阻采集单元下发采集命令，此时内阻检 测单元将向蓄电池系统注入低频的交流小信号，并开始进行内阻的测量，测量完 毕后将数据上传至显示控制单元。显示控制单元将对所有采集到的数据进行分析 和处理，对异常蓄电池声光报警，并在液晶显示画面上显示告警登信息，以便用 户及时发现故障蓄电池并进行及时的处理或更换。 蓄电池监控系统是为阀控密封铅酸蓄电池( v 】阻a b ) 的运行管理而设计的， 主要用于在线监测蓄电池的运行状况、蓄电池故障的自动报警，并通过计算机网 络提供现场运行数据，实现对蓄电池的集中监控、集中维护与管理。 直流系统的可靠性直接影响到发电厂、变电站的正常运行，而作为后备电源 的蓄电池在直流屏中起着极其重要的作用。随着无人值守变电站的推广，电力系 统自动化水平的不断提高，蓄电池性能好坏的监测及判定已成为急待解决的难 题。因此，本系统将成为直流系统不可缺省的理想保障设备，可广泛应用于各种 类型的采用蓄电池作后备电源的直流系统和直流供电系统，适用于各类大量使用 蓄电池的场合。 3 1 2 系统特点 本系统是集蓄电池测量技术、电力电子技术、计算机控制技术等多项技术的 综合成果，具有如下特点： 1 用微机控制，自动化程度高，现场操作灵活简便； 2 数据采集快速准确，可记录蓄电池充放电每一瞬间的变化，保证对蓄电 池的准确判别； 3 具有汉化的面板菜单显示功能，清晰明了； 4 具有智能通信接口，r s 2 3 2 和r s 4 8 5 等，以实现远端计算机四遥功能； 5 强大的数据处理能力，可对蓄电池我项测量结果进行综合计算分析； 6 保护功能完善，可提供多种蓄电池故障信息的自动报警，并可存储告警 信息； 7 蓄电池内阻在线实时检测，蓄电池容量的实时快速计算； 第三章蓄电池监控系统的研制 8 参数可以灵活设置，以满足不同用户的需求。 9 采用模块化分布式监控系统，现场接线方便，性能可靠。 3 1 3 主要性能指标 l 、数据采集单元 ( 1 ) 电源电压：2 4 v d c 。 ( 2 ) 遥测量：1 9 路蓄电池电压，l 路蓄电池充放电电流、l 路蓄电池温度。 遥测精度：电压：0 5 ，电流1 ，温度l o c 测量范围：电压：2 v 、6 v 、1 2 v ，可通过拨码开关设定：电流：o 1 0 0 0 a 温 度：0 , - - - , 5 0 0 c ； ( 3 ) 通信口：r s 2 3 2 或r s 4 8 5 可通过拨码开关设定，设为r s 2 3 2 方式时为维 护状态，且可下载程序，r s 4 8 5 方式为与上级监控系统通信状态。波特率为 6 0 0 b p s 9 6 0 0 b p s 。 2 、内阻监测单元 ( 1 ) 电源电压：2 4 v d c ； ( 2 ) 测量范围：0 , - - - 2 0 毫欧或0 - - 2 毫欧，可通过拨码开关设置，测量精度： 5 ： ( 3 ) 通信口：r s 2 3 2 或r s 4 8 5 可通过拨码开关高定，设为r s 2 3 2 方式时为维 护状态，且可下载程序，设为r s 4 8 5 方式时为与上级监控系统通信状态。波特 率为6 0 0 b p s 9 6 0 0 b p s 。 3 、显示控制单元 ( 1 ) 电源电压范围：2 4 v d c ； ( 2 ) 通信