（电工理论与新技术专业论文）蓄电池参数自动检测系统的研究.pdf

蓄电池参数自动检测系统的研究 an e wa u t o m a t i cs t o r a g e - c e l l sp a r a m e t e rc h e c k i n gs y s t e m a b s t r a c t r e c e n t l y , m o s to fw o r k i n gs u r r o u n d i n g si ns h i p si no u rc o u n t r ya r ef u l lo fs t o r a g e c e l l s a n dw i t hab a da i r , a l s o w i t haf o r b i d d e no fu s i n gt r a n s m i t t i n gc a b l e i nt h a tw a yt h ew o r k e r h a st oc h e c kt h ew o r k i n gs t a t e m e n to fc e l l so n eb yo n ei nm a n u a lw a y n o to n l yw a s t et i m e a n dl o r so fw o r kb u ta l s om a k eap l e n t yo fm i s t a k e s f u r t h e rm o r e ，t h ea c i da i rc o u l dc a u s e m a n yi l i n e s st 0t h ew o r k e r s o 。an e wc h e c k i n gs y g e mi si m p e r a t i v eu n d e rt h i ss i t u a t i o n b a s e do nt h er e c e n ts t a t u sa n dt h er e c e n tt e c h n o l o g yd e v e l o p i n gi n s t a n c ei na n do u to f t h e c o u n t r y , an e wa u t o m a t i cs y s t e mo fc e l l sc h e c k i n gs y s t e mi sd e s i g n e d t h i ss y s t e mc a n c o l l e c tt h ep a r a m e t e ro fc e l l sl i q u i dl e v e l ，a l s o ，i tc a nd i s p l a yt h ed a t aa n ds t o r a g et h e mi n t o t h ec o m p u t e r , w h i c hc a nl a r g e l yi m p r o v et h ef u n c t i o na n da u t o m a t i o nl e v e l nh a ss o m en o t a b i l yc h a r a c t e r i s t i c s 鹊l i s t i n gb e l o w ： 1 l i g h t e n i n gt h ef o r c eo f m a n u a lw o r k , i no r d e rt or e l e a s ew o r k i n gt i m e 2 g r i p p i n gt h ee s t a t eo f t h ee e l li nr e a lt i m e a n dd e c i d i n gh o w t ol l s et h e mt od om o r ew o r k 3 e l e v a t i n gt h ev a l i dt i m eo f u s i n gt h ec e l l ，a n du s i n gt h ec e l lm o r er a t i o n a l l y n l em c ua t 8 9 c 5 1w a su s e d 嬲i t sm a i nc p ua n dc o m b i n e dw i t hd i s p l a ym o d u i e a d c o n v e r t e r , e x p e n d e dm e m o r ya n dw a s hd o gt e c h n o l o g yi no r d e rt os a t i s f yt h en e e d ；an e w 够p co f i n = 删w i r e l e s st e c h n o l o g yw a su s e dt ot r a n s m i tt h ed a t ac o l l e c t e da n dw a sg i v e nt h e r e a lc i r c u i td e s i g np i c t u r e s e n s o rc i r c u i tu s e da t 8 9 c 2 0 5 1t od r i v el i n em a t r i xc c dt o a c t u a l i z et h eu n t o u c h e dm c a s t t r c r n e n t n 地w h o l ed e s i g nh a s 也ea d v a n t a g eo fl e s sa m o u n to f l a y o u tl i n e s ，s t r o n gp r a c t i c a b i l i t y , l i t t l ee u b a g e ，a n dh i g hm e a s u r ep r e c i s i o n , a n dw a sa b l et o a d a p ta t r o c i o u sw e a t h e ra n ds u r r o u n d i n g s k e yw o r d s ：d a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ；a t 8 9 c 5 1 ；i n f r a r e dw i r e l e s st e c h n o l o g y ；u n t o u c h e d m e a s u r e m e n t 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：查丝垦日期：型f ：之! 大连理工大学硕士学位论文 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 疹红龟 名：历彳 叉 丝生l 年月且日 大连理工大学硕士学位论文 引言 蓄电池作为备用电源在直流系统中起着极其重要的作用，从而在电力、通信、金融、 交通、航海等各行各业中得到广泛的应用。为了确保蓄电池组的性能，必须对蓄电池组 进行定期的性能检测，检测其实际的各项性能指标。因此，随着电子和计算机控制技术 的发展，航海中船舶供电用铅酸蓄电池组的使用、维护、管理也应实现自动化。 目前国内的船舶中电池的工作空间紧凑、数量众多，且不能大量使用传输线缆。艇 员对电池逐一检测，既耗时又费力，工作量繁重，且精度较差。此外，由于电池采用的 是开口式结构，在电池工作过程中所产生的酸雾和氢气可以自由溢出，这样无论是对船 员身体还是对船舶运行安全都造成较大威胁。 因此，找到一种安全可靠、自动化程度较高、同时容易操作和维修更换的解决方案 势在必行，为此，本文在实验阶段设计并探讨了一种适合用做船舶用蓄电池组的检测的 系统，并给出了具体的解决步骤，因铅酸蓄电池组需要测量的状态较多，如密度，内阻， 液面，充放电电流等等，难以一一实现，所以，本文以液面的数据检测为主，设计了一 种新颖的测量铅酸蓄电池液面高度的检测系统。 在本文中，第一章介绍了蓄电池参数检测系统的发展状态，目前国内外对于蓄电池 参数检测系统主要研究集中的领域以及蓄电池参数检测的重大意义；第二章介绍了蓄电 池的基本工作原理、以及蓄电池主要特性，和蓄电池检测所相关的参数等；在第三章中 从总体角度概括的介绍了蓄电池检测系统的架构、设计特点和主要结构框图；在第四章 中具体的介绍了从机硬件测量系统的结构、具体电路模式和主要电路图示；在第五章中， 给出了主机相关的软硬件结构设计原理、原理图、以及软件设计流程和设计思想；在第 六章中，介绍了本系统的通信部分的内容，也是本系统的颓颖之处利用红外无线传 输的方式来进行主机和p c 机之间的通信，最后对通信模型作出了分析和概括，以及相 关的仿真图示：最后在总结一章中总体概括了该测量系统的性能指标、优缺点，以及今 后的升级更换等问题，并对未来的发展方向做出了预测。 蓄电池参数自动检测系统的研究 第一章蓄电池检测系统概述 1 1 蓄电池检测系统概述 蓄电池检测系统是能够实时在线的检测蓄电池的端电压、电解液温度、密度以及液 位，并能够估算蓄电池剩余电量的仪表系统。一个完整的蓄电池检测系统一般来说有三 个部分组成：从机系统，用于测量单块电池的端电压、电解液温度、密度以及液位等参 数；主机模块，用于人机交互以及键盘操作和输入输出等一些功能，可以根据人的具体 意愿来处理某件具体任务；通信模块，由于电池舱内的环境比较恶劣，所以主机和从机 通常是分离的，这就需要由通信模块来完成采集的数据之间的传输任务。从机主要有以 下几个部分：温度传感器，主要用来测量和感知环境温度，并把铅酸蓄电池的电解液温 度转化成电量，以便于计算机的检测；液位传感器，主要是用来测量铅酸蓄电池的电解 液液位高度并将其转换为电量，以便估算出铅酸蓄电池的剩余电量；电压测量，检测单 体蓄电池的端电压，以了解每一块铅酸蓄电池的工作状态。主机主要有三个部分：人机 交互部分，包括键盘和显示，主要根据人为需要来确定某项任务如何操作并完成；报警 和掉电保护，主要是当铅酸蓄电池出现状态异常的时候进行报警，对检测系统同时具有 监控功能，当检测系统出现掉电或者失电的时候进行保护并发出警告；存储单元，主要 对检测到的数据进行存储，以便于综合比较，更可靠的得出铅酸蓄电池的性能和具体工 作状态。通信模块一般分为有线和无线两种，有线方式一般采用现场总线，电力传输线 缆，以及r s 4 8 5 复用总线等等，无线方式具体有无线电，r f 射频传输，电力线载波传输 等等。近年来，由于电子技术的发展，技术通信协议的不断完善，使得红外无线通信技 术应用越来越广泛，本文则以红外无线通信技术为通信方式设计了红外通信模块。 1 2 蓄电池参数检测国内外发展现状 早在1 9 8 2 年，原西德v a r t a 公司和西门子公司联合研制了蓄电池电子计算机监测和 控制系统，该系统由计算机连续检测并记录了蓄电池的主要的数据，并能够按顺序计算 和估算，以确定蓄电池的状态。从此，蓄电池检测引起了诸多学者和研究人员的极大重 视和关注。美国s p d 公司研制的b m s 一1 0 0 系列的计算机控制蓄电池检测监视系统可以连 续的记录下蓄电池的工作状态，不需要人工测量，在计算精度方面也达到了较好的效果。 目前，国际上对蓄电池的检测技术领域的研究主要集中在以下几个大的方面： ( 1 ) 以检钡4 浮充数据为主的被动检测方法 ( 2 ) 传统的深度放电测试 ( 3 ) 较新的部分放电测试技术 2 大连理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 在放电状态下估计电池的剩余电量 ( 5 ) 蓄电池的内阻检测技术 ( 6 ) 研究智能电池 ( 7 ) 蓄电池寿命预测 本文所针对的方面是对蓄电池工作状况的估计和剩余电量的预测。随着传感器和检 测技术的不断发展，蓄电池检测的手段和制造手段也在不断更新，但是，在总体上都是 围绕着如何能更合理的利用电池、更准确的判断电池的工作状态。下面先简要介绍一下 几种典型的蓄电池检测手段1 2 l 竭： 1 第一种方法是通过检测电解液密度确定蓄电池剩余容量，这也是铅酸蓄电池检 测普遍采用的方法。电解液密度在充电过程中逐渐变高，放电过程中逐渐降低。通过测 量电解液的密度可判断电池的充放电过程。目前具体做法有人工测量和传感器测量两 种，人工测量是将密度计吸嘴插入单格电池内，用手捏一下橡皮球，然后缓缓松开，电 解液就会被吸到吸液玻璃管中，吸入的电解液量应以能将密度计浮子浮起而不会顶住为 宜。在读数时，应使浮子浮在玻璃中央，避免二者接触，并使密度计中电解液液面与密 度计刻度线及眼睛对齐，液面所在浮子的亥4 度即是所测得电解液密度值。此方法可以实 现电池容量的直接显示，也是目前国内铅酸蓄电池的检测的主要方法。传感器测量法目 前所使用的还比较笨重，测量时密度传感器吊放在电池舱中间的横梁上，通过液泵将电 解液抽入传感器中，并使之不断循环，用来测量电解液的密度。 2 第二种方法是高电率放电法判断蓄电池剩余容量，它是通过测量大负荷下的端 电压来判断蓄电池的剩余电量，它是模拟启动机启动的负载，测出蓄电池在大电流发电 时的端电压，根据端电压变化来判断蓄电池的技术状态。高电率放电由一个o 3 v 的直 流电压表和一个能通过数百安培电流的负载电阻组成。测量时，将两叉尖用力压在单格 电池的接线柱上，历时不超过5 s ，观察大电流放电时蓄电池所保持的端电压，依照放电 程度对照表，就知道蓄电池的放电程度。不同型号的放电计，负载电阻不同，放电电流 和端电压值也不同，使用时参照说明书而定。此方法能检测蓄电池有无故障及向启动机 供点的能力，但不能测量正在充电和刚充完电的蓄电池。 3 第三种方法是湿度法检测蓄电池的容量，湿度法是借助固体电化学湿度传感器 在蓄电池充放电过程中，将电解液相对湿度变化化为传感器阻抗值的变化来确定蓄电池 的容量。相对湿度小时，阻抗较大，反之阻抗较小。同时，电池内硫酸液体有一定的蒸 汽压力，在蓄电池充放电循环过程中，其大小与密度及电解液相对湿度有关。传感器若 能足够快地跟踪相对湿度的变化，则蓄电池放电程度可以及时标出。以电池液面相对湿 度为参数预示电池容量的方法，测试速度快、灵敏度高。这种方法只是刚刚提出，还没 有看到真正的应用。 4 第四种方法是利用蓄电池的阻抗求算蓄电池的剩余容量，这种方法多用来测量 蓄电池参数自动检测系统的研究 密封的蓄电池。它是利用蓄电池充电过程中阻抗值提高，放电过程中阻抗值降低的特性， 从被测量电池的频率响应数据预示电池的容量。交流电桥法测量是在忽略浓差极化因素 下进行的，因为电池对交流信号既有电阻特性又有电容特性，使得所测电池内阻随频率 变化而变化。要计算蓄电池的欧姆内阻，必须采用复数平面法来测定多种频率时的阻容 数据，过程烦琐，所以这种方法用得较少。 由于以上检测手段的不同使得相关的蓄电池检测仪器也不尽相同，从仪器结构和方 法上可以分为固定和便携式，固定式主要用于蓄电池生产厂家等对蓄电池进行检测；而 便携式主要用于对某个单体蓄电池进行检测。 1 3 开发蓄电池参数检测系统的前景和实际意义 在现今的社会中蓄电池作为一种重要电能提供设备的作用越来越不可替代，许多汽 车、飞机、船舶等交通运输工具都需要蓄电池作为电能提供设备；而大型的通信公司、 金融企业也都需要利用蓄电池作为主要后备电源。这样，就对蓄电池的性能和可靠性提 出了更高的要求，如果在这些重要领域蓄电池发生故障，那么损失一定会是巨大的，甚 至是无法估量的。因此，蓄电池参数检测系统在准确掌握蓄电池工作运行状态，提高蓄 电池可靠性方面有着不可替代的地位，而对蓄电池参数检测的研究也就具有十分广阔的 前景和实际意义1 1 4 本文研究的主要方向 本文针对蓄电池的发展趋势，在阅读了大量的蓄电池基本原理、蓄电池参数检测技 术资料的基础上，在实验阶段设计了针对于铅酸蓄电池电解液液面参数的检测系统，并 能够及时估测剩余电量。该系统充分体现了蓄电池参数检测系统智能化、自动化的发展 趋势，把智能化应用于蓄电池参数检测系统之中。该系统的重点在于对液面数据检测和 采集的设计，采用了非接触式测量，有效避免了普通传感器由于长期处于酸性环境下引 起的腐蚀，精度下降以至损坏等问题；另一个重点体现在数据传输上采用了红外无线数 据传输方式，有效的避免了在舱内大量布线，电缆须定期维护等附加问题。 4 大连理工大学硕士学位论文 第二章蓄电池参数检测的相关概念 2 1 铝酸蓄电池的基本工作原理 ( t ) 铅酸蓄电池电动势的产生 铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅( p b 0 2 ) ，在硫酸溶液中水分子的作用下，少量 二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅( p b ( o h ) 。) ，氢氧根离子在溶液中， 铅离子( p b ”) 留在正极板上，故正极板上缺少电子。 铅酸蓄电池充电后，负极板是铅( p b ) ，与电解液中的硫酸( h 2 s o 。) 发生反应，变 成铅离子( p b ”) ，铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子( 2 e ) 。 可见，在未接通外电路时( 电池开路) ，由于化学作用，正极板上缺少电子，负极 板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。 ( 2 ) 铅酸蓄电池放电过程的电化反应 铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板 形成电流i 。同时在电池内部进行化学反应。 负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子( p b ”) 与电解液中的硫酸根 离子( s 0 4 ) 反应，在极板上生成难溶的硫酸铅( p b s 0 4 ) 。 正极板的铅离子( p b “) 得到来自负极的两个电子( 2 e ) 后，变成二价铅离子( p b ”) ， 与电解液中的硫酸根离子( 8 0 4 ) 反应，在极板上生成难溶的硫酸铅( p b s o 。) 。正极板 水解出的氧离子( 酽。) 与电解液中的氢离子( r ) 反应，生成稳定物质水。 电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在 电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。 放电时h 2 s 0 4 浓度不断下降，正负极上的硫酸铅( p b s 0 4 ) 增加，电池内阻增大( 硫 酸铅不导电) ，电解液浓度下降，电池电动势降低。 化学反应式为：p b 0 2 + 2 h 2 s 吼+ p b = p b s 0 4 + 2 h ：o + p b s 吼 ( 3 ) 铅酸蓄电池充电过程的电化反应 充电时，应再外接一个直流电源( 充电极或整流器) ，使正、负极板在放电后生成 的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。 在正极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子( p b ”) 和硫酸根 负离子( s 0 4 ) ，由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子( p b 2 + ) 不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子( p b ”) ，并与水继续反应，最终在正极极板 上生成二氧化铅( p b 0 2 ) 。 在负极板上，在外晃电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子( p b ”) 和硫酸根 负离子( s 0 4 ) ，由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子( p b ”) 被中和为铅( p b ) ，并以绒状铅附着在负极板上。 蓄电池参数自动检测系统的研究 电解液中，正极不断产生游离的氢离子( h + ) 和硫酸根离子( s 0 4 2 ) ，负极不断产生 硫酸根离子( s 0 4 2 一) ，在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动， 形成电流。 充电后期，在外电流的作用下，溶液中还会发生水的电解反应。 化学反应式为：p b s o # 2 h 2 0 + p b s 0 4 = p b 0 2 h 5 0 。+ p b ( 4 ) 铅酸蓄电池充放电后电解液的变化 从上面可以看出，铅酸蓄电池放电时，电解液中的硫酸不断减少，水逐渐增多，溶 液比重下降；铅酸蓄电池充电时，电解液中的硫酸不断增多，水逐渐减少，溶液比重上 升f 3 1 】。 实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。 2 2 铝酸蓄电池的基本特性 下表列出了蓄电池检测的主要性能指标以及测量精度标准： 表2 1 蓄电池参数图表 t a b 2 1s t o r a g eb a t t e r yp m e t e r sc h a r t 序号检测参数范围精度 1单块电池电压值o 一3 v0 0 1 2 电解液温度 0 - 6 0 0 c1o c 3 电解液密度1 0 0 0 1 3 0 0 9 c m 30 0 0 5 9 c m 3 4 电解液液面高度极点防护板上部3 0 7 5 n m l5 m m 5充放电电流值2 5 0 0 o 一9 5 0 0 a 0 0 2 测量范围 6蓄电池组电压0 - 6 4 0 v 1 5 测量范围 7充放电安时值0 - 14 0 0 0 0 a h1 5 测量范围 2 2 1 密度特性 铅蓄电池正、负主要成分是铅，电解液是硫酸，故又称酸电池。铅蓄电池的充、放 电是靠电池内部化学物质的可逆反应来完成的。放电时，负极板上海绵状的铅和正极板 上的二氧化铅都逐渐转变成硫酸铅，同时消耗一部分硫酸，增加了一部分水，电解液的 浓度减少，密度降低：充电时，随着电流的通过，负极板上的硫酸铅转变成深灰色的海 绵状的铅，正极板上的硫酸铅转变成黑褐色的二氧化铅，同时溶液中有硫酸生成，电解 液中硫酸的成分增加，水分减少，电解液浓度增加，密度升高。故可以用测量密度的方 法来判断电池的充、放电程度。 6 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2 温度特性 铅酸蓄电池发热的因素【3 5 】有以下几个： ( 1 ) 内阻热：铅蓄电池存在一定的内阻，通过电流产生内阻热。 ( 2 ) 可逆热：铅蓄电池具有这样一些特质，放电时，电势下降，要吸收一部分热量变成 电能输出，因此会促使电解液温度下降；充电时，电势升高，可逆地消耗一部分电 能放出同样的热量，使电解液的温度升高。 ( 3 ) 稀释热：硫酸和水混合使硫酸得到稀释，要防除热量。蓄电池在充电时，空隙内形 成的硫酸向空隙外扩散并稀释，稀释热促使电解液温度升高。 ( 4 ) 充电后期：电能用于电解水也要生产一部分热量，使电解液温度升高。 铅酸蓄电池正常运行的温度是2 0 5 0 度，温度过高对电池的容量和寿命都会产生极 其不利的影响，最佳运行温度是2 5 度，当温度每升高5 度，蓄电池的使用寿命就会 降低1 0 。 2 2 3 液位特性 由于蓄电池的充、放电过程中，硫酸和水都参与了反应，这样势必导致电解液面的 升高和降低。铅硫酸电池规定电解液液位应高出2 0 m m 7 5 m m ，但不能超出这个范围。 2 2 4 电压特性 铅酸蓄电池在充好电后其电势约为2 1 2 2 v ，开始放电时，其电势为2 v 左右。充 电时，电势升高，一直升到2 5 2 6 v 。如继续充电，因极板上的有效物质已全部还原 完毕，水的分解也渐趋饱和，这时电解液只见沸腾而电压却稳定在2 7 v 左右不在增加。 停止充电后，电池电势将骤降至2 3 v ，最后电势又将稳定在2 1 2 2 v 左右。放电时， 电势骤降至2 2 0 5 v 。随后在很长一段时间内，电势下降相当缓慢而平稳，当放电到某 一电压( 即终止电压) 之后，电池电势开始急剧下降，这是放电完毕的象征。但是由于 蓄电池放电时有“休息”现象，所以断路电池的电势不能放电程度。 2 3 铅酸蓄电池的容量 2 3 1 容量的概念 蓄电池容量的概念与一般电气设备不同，所谓蓄电池的容量是指充满电的电池，保 持放电电流不变，放电至规定的最终电压时，所防除的总电量或者总电能。 当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量等于放电电流i p 和放电时间t p ( 小时) 的乘积， 单位为安时，即： c 爿；岛( 安时)( 2 1 ) 蓄电池参数自动检测系统的研究 如果放电电流不是恒定值，那么蓄电池的容量为： n 疵，= “+ + + “( 安时) ( 2 2 ) 0 容量的另一种表示方法叫做瓦时容量。它的值为安时容量与放电期间平均电压的乘 积。即： w = c u o o = l t , u o , ( 瓦时)( 2 3 ) 2 3 2 蓄电池容量与电解液密度的关系 单体铅酸蓄电池充满电以后，容量大致在1 0 3 0 0 安时。其容量在一定限度内( 实际 应用范围内) 随着密度的增加而增加，但是有一定的范围，超过一定范围容量就开始减 少。图2 2 所示的是蓄电池电解液密度与放出的容量的关系曲线图。 02 0 0 04 - 0 0 06 0 0 08 0 0 01 0 0 0 01 2 0 0 0 c ( a h ) x 图2 2 密度容量关系曲线 f i g 2 2d e n s i t y c a p a c i t yr e l a t i o nc u r v e 2 4 铅酸蓄电池容量检测的方法研究 铅酸蓄电池容量的精确估计对于船舶的出海航行时间特别重要，特别是对于那些以 蓄电池为主要动力的船舶，通过估算蓄电池的容量，就可以确定船舶的续航能力。在这 方面国外很早就开始的相关的研究，而国内则起步较晚，目前国内外常用的方法主要有 如下几种3 0 3 3 1 。 ( 1 ) 开路电压法：即通过检测开路电压来得到剩余容量的大小。因为铅酸蓄电池 8 (c争。腓删删脚姗心舢 大连理工大学硕士学位论文 的剩余容量与它的开路电压有一定的正比关系，通过检测开路电压就能够直接得到剩余 容量的大小，船用蓄电池要区在充放电过程中也能够准确的显示剩余容量，而充放电进 行的过程中开路电压是无法检测到的另外虽然这种方法能够直接比较准确的得到剩余 容量的百分比数，但是由于额定容量的绝对值是随着温度、电池老化的因素变化的，使 得这种方法一般用于u p s 蓄电池。 ( 2 ) 恒流电压法：即检测铅酸蓄电池在恒流放电时的端电压。这种方法比较准确， 但是由于船舶在行驶的过程中是变负载的，铅酸蓄电池的放电电流不是恒定的，所以， 这种方法不适合用于船用蓄电池容量的检测。 ( 3 ) 内阻法：即通过计算铅酸蓄电池的内阻来推算剩余容量。这种方法实现比较 困难，因为电池的工作条件对电池的内阻影响很大，内阻的计算需要考虑电动势的大小、 端电压、以及放电电流值，在船舶行驶的过程中，电流的变化是相当复杂的，因此计算 起来比较复杂。另外，在放电的初期内阻随放电率的变化并不是很明显，即在电池放电 的前期，应用内阻法是不准确的，因此内阻法也不太适合船用蓄电池的容量检测。 ( 4 ) 检测电解液密度法：即检测铅酸蓄电池中溶液的密度，因为铅酸蓄电池的剩 余容量跟它的电解液密度有定的关系，通过测量电解液密度来得到剩余容量，这种方 法准确可靠，特别适合与船用铅酸蓄电池的容量检测。 上面介绍了铅酸蓄电池的容量计算的几种常见方法，由于不同蓄电池的特性不同， 所以测量方法也有所不同。由于蓄电池的实际容量会受到很多因素的影响，如不同的放 电电流、不同的工作温度以及上次充放电情况的不同，都会影响蓄电池的实际容量。所 以，通过测量蓄电池的端电压、电解液温度和液位，保证在这些条件限制的范围内电解 液密度与蓄电池容量关系的稳定性。 9 蓄电池参数自动检测系统的研究 第三章铅酸蓄电池参数检测系统的总体设计要求 根据铅酸蓄电池自身的复杂特性以及船舱内的特殊环境要求，在汲取了前人的成果 的基础上，本文针对难点提出了一些创新性的解决方法，并提出了以下设计方案。 3 1 设计要求概述 由第二章对蓄电池参数检测相关的方法和概念的分析可以知道，铅酸蓄电池的特性 比较复杂，很难从单一的特性估算出蓄电池的运行状态，所以，要使蓄电池保持良好的 运行状态，必须对蓄电池进行在线的不间断的检测，以确保蓄电池处于正常运行范围之 内，根据前人的多年经验和实际运行总结的结果，总结出以下几点检测的标准，本文的 设计由于是针对铅酸蓄电池的某一参数制定的，所以也必须符合以下的检测标准： 铅酸蓄电池自身特性要求 外部尺寸：高1 0 9 3 r n m ，长6 5 6 n u n ，宽3 6 6 t a r a ： 重量：6 8 8 5 k g 块； 极板：正极4 6 块，负极4 8 块； 电解液：采用密度1 2 7 0 0 0 0 5 9 c m 3 ( 3 0 0 c ) 的稀硫酸溶液； 液面位于极板上的高度为6 0 l m m ( 3 0 。c ) 、最高为7 5 m m ( 4 5 ) 充满电的蓄电池电压约为2 1 2 2 v ； 蓄电池内最高工作温度最高可达5 0 。c ； 共4 4 8 块，、舱各装两组，每组1 1 2 块。 工作条件要求 1 装置能在有油雾、盐雾、酸雾和霉菌存在和有震动、冲击的环境下正常工作； 2 装置工作环境温度为8 4 5 0 c ； 3 装置采用分布式结构，根据电池舱内线路的复杂特性，无须重新铺设传输信号线。 测量项目及功能要求 蓄电池检测系统能对蓄电池组的参数实施自动巡回检测，手动查询检测，数据处理， 检测电池组的充放电参数，报告安培小时剩余容量以及在给定航速时的续航时间；能根 据密度、温度、使用周期提供参考充电电流值和过度电压值，并能进行测量数据的存储、 上传和超限报警处理。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 3 2 蓄电池检测系统总体设计 为了确保船舶的正常供电，需要对蓄电池的各项参数不断进行检测，以确保蓄电池 运行状态的稳定。随着测量技术和传感器技术的不断发展，测量手段也逐渐由人工检测 过渡到自动测量、智能测量。目前，有关研究部门正在研究以现场总线为基础的测量方 式，但是，根据船舶内狭小、环境恶劣的具体条件，使得在测量的时候需要把每一个单 体蓄电池测量所得的参数数据全部都传给上位机主机f 8 ，9 i o l , 而在船舶内进行大量的布 线，这样，线缆会覆盖于铅酸蓄电池电池组之上，这给更换和维修带来了不必要的困难 和麻烦，同时，由于环境恶劣，发射出的无线电波还可能对船舶上的其他设备造成干扰， 甚至危及到其他设备的正常运行和工作；再次，由于测量条件的落后，使得在测量时使 用的传感器体积过于庞大，所以这种方法只能有选择测量单体蓄电池，还不能正式的大 规模进行实践性应用。针对上述情况，本文采用的方案在很大程度上避免了这些问题和 困难，并简化了大量的电缆布线，利用红外线传输对铅酸蓄电池进行遥测。 其优点在于： 一、避免了船舶内大量电缆布线，简化工作测量环境。 二、不占用其他无线电资源，对船舶内其他设备的干扰程度大大降低。 三、可以选择测量任意数量的铅酸蓄电池作为检测对象。 四、利用非接触式测量方式，使得测量系统使用时间和利用率大大提高。 五、避免了由于铅酸电解液给传感器带来的诸如腐蚀等其他影响测量系统正常工 作的问题。 ( 1 ) 系统总体框架 由于本文是针对蓄电池液面参数的检测，所以，在器件选择上选用以单片机为主要 处理c p u ，辅助以显示模块、系统保护模块、测量模块、以及传输模块，可以保证系统 的稳定运行，以及正确显示和测量相关数据。由于液面的测量精度在5 唧左右，所以 在显示模块的选择上只要保持可以显示小数点后2 位即可；系统保护模块则可以选用成 型元件，在系统故障时有利于排查故障点；测量模块根据铅酸蓄电池的特性和船舶内的 特殊测量条件选用非接触式拍照元件线阵c c d ；传输模块则根据要求，选用红外无线传 输，避免了在船舶内过多布线。整个系统的测量方案大致如图3 1 所示。 蓄电池参数自动检测系统的研究 图3 i 系统整体框图 f 谵3 1t h ew h o l es y s t e md i a g r a m 上图中，上面的方框内是从机系统的基本组成图：其核心是a t 8 9 c 2 0 5 1 ( c p u u n i t ) 由线阵c c d 传感器( c c du n i t ) 对铅酸蓄电池进行测量所得的数据经过检测模块( c h e c k u n i t ) 将数据送入从机，然后经过协议与主机进行通信：同时从机兼具有存储和掉电保 护模块( m e m o r yu n i t 。p r o t e c tu n i t ) 对于下面框图，中心是a t 8 9 c 5 1 单片机，负责包括执行：时间校准( c a l i b r a t et i m e ) 、 系统配置( s y s t e m c o n f i g u r e ) 、系统控制( s y s t e m c o n t r 0 1 ) 以及数据存储( d a t a m e m o r y ) ， 大连理工大学硕士学位论文 同时，还负责将数据送显( d i s p l a y ) 。 ( 2 ) 主体器件选择 在主处理器器件选择吲上，由于处理数据不是非常烦琐，同时处理精度和速度要求 不高，所以选用应用十分广泛的8 位的a t 8 9 c 5 1 单片机作为中央处理器完全能满足要求， 成本不高且实用性强。图3 2 为a t 8 9 c 5 1 的引脚图。 图3 2a t 8 9 c 5 1 引脚排列图 f i g 3 2a t 8 9 c 5 1p md i a g r a m 9 f f 3 0 o ，a d 0 3 0 ，l ，a d l 3 0 2 ，a d 2 3 0 3 ，a d 3 3 0 舢a b 4 3 0 5 ，a d 5 3 0 6 a d 6 3 0 1 | 醋m 电9 s s a e 3 5 2 g ，3 6 e l 3 2 7 佃1 5 3 2 毛| d 1 4 3 2 5 ，a d l 3 3 2 4 a d l 2 3 2 3 ，a d l l 3 2 2 舢1 0 3 2 1 ，a d 9 3 2 0 ，a d 8 a t 8 9 c 5 1 是一个低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含4 kb y t e s 的可反复擦写 的f l a s h 只读程序存储器和1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 一5 1 指令系统，片内置通用8 位 中央处理器和f l a s h 存储单元，内置功能强大的微型计算机的a t 8 9 c 5 1 提供了高性价比 的解决方案。 a t 8 9 c 5 1 是一个低功耗高性能单片机，4 0 个引脚，3 2 个外部双向输入输出( i 0 ) 端口，同时内含2 个外中断口，2 个1 6 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口， a t 8 9 c 5 1 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和f l a s h 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的f l a s h 存储器可有效地降低开发成本。 篓黧翼崭嬲嬲淼li絮扎孔n扎孔扎孔执一一一一一虹 r l l ， 蓄电池参数自动检测系统的研究 其主要功能特性如下： 表3 1a t 8 9 c 5 1 功能特性表 t a b 3 1f u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f a t 8 9 c 5 1 兼容m c s 一5 1 指令系统 4 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 3 2 个双向i o 口可编程u a r l 通道 两个1 6 位可编程定时计数器全静态操作0 - 2 4 m h z 1 个串行中断1 2 8 x 8 b i t 内部r a m 两个外部中断源 “ 共6 个中断源 可直接驱动l e d 3 级加密位 低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能 驱动线阵c c d 的从机选择了a t 8 9 c 2 0 5 1 ，引脚较a t 8 9 c 5 1 缩减为2 0 个，1 5 个双向 输入输出( i o ) 端口，其中p 1 是一个完整的8 位双向i o 口，两个外中断口，两个 1 6 位可编程定时计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器；片内含2 k b y t e s 的可反复擦写的只读f l a s h 程序存储器和1 2 8b y t e s 的随机存取数据存储器( r a m ) ，器 件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s - 5 1 指令系统，片 内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元。具有a t 8 9 c 5 1 的大部分主要性能。在控制 成本的同时保持了性能上的可靠性和测量精度。图3 2 为a t 8 9 c 2 0 5 1 的引脚图。 v o c p 1 7 p 1 6 p 1 5 p 1 4 p 1 3 p 1 2 p 1 1 崩j n l p 1 1 a i n 0 p 3 7 图3 2a t 8 9 c 2 0 5 1 引脚排列图 f i g 3 2a t 8 9 c 2 0 5 1p i nd i a g r a m 1 4 懈ll=ll黧 大连理工大学硕士学位论文 主要功能特性： 表3 2a t 8 9 c 2 0 5 1 功能特性表 t a b 3 2f u n c t i o nc h a r a c w r i s t i a so f a 3 8 9 c 2 0 5 l 兼容m c s 5 1 指令系统 2 k 可反复擦写( 1 0 0 0 次) f l a s hr o m 1 5 个双向i 0 口6 个中断源 两个1 6 位可编程定时计数器2 7 - 6 v 的宽工作电压范围 时钟频率o - 2 4 e q z1 2 8 x 8 b i t 内部瓯m 两个外部中断源两个串行中断 可直接驱动l e d两级加密位 低功耗睡眠功能内置一个模拟比较放大器 可编程u a r l 通道软件设置睡眠和唤醒功能 在数据通信方面，兼顾船舶内部的具体结构，采用了r s - 2 3 2 串口转红夕 无线的方式 进行数据传输，避免了在船舶内部进行大量的电缆布线。单片机红外传输选用v i s h a y 公司生产的专用红外模块t s o p l 7 3 8 ，p c 机的红外接收部分则由自己进行设计。 具体铡量采用非接触式c c d 拍照方式采集数据。线阵c c d 选用n e c 公司的u p d 3 5 7 5 d 型号。l lp d 3 5 7 5 d 是n e c 公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、1 0 2 4 像元的内置采样保 持电路和放大电路的线阵c c d 图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和o c r 。它 内部包含列1 0 2 4 像元的光敏二极管和两列5 2 5 位c c d 电荷转移寄存器。芯片为2 0 脚 d i p 封装，像敏单元数目为1 0 2 4 ，像敏单元大小为1 4pm 1 4 1l lm 1 4p1 1 1 ( 相邻像元中 心距为1 4i im ) ，光敏区域采用高灵敏度和低暗电流p n 结作为光敏单元，内置采用保持 电路、输出放大电路，外观尺寸为2 5 5 m m xl o n n ，易于装卸。该器件工作在5 v 驱动( 脉 冲) 、1 2 v 电源条件下。 l lp d 3 5 7 5 d 的主要特性 拳像敏单元数目：1 0 2 4 像元； 木像敏单元大小：1 4 n m x l 4 p m x l 4 p m ( 相邻像元中心距为1 4 “m ) ； 半光敏区域：采用高灵敏度和低暗电流p n 结作为光敏单元； 丰时钟：二相( 5 v ) ； ，# 内部电路：采样保持电路，输出放大电路； 年封装形式：2 0 脚d i p 封装。 蓄电池参数自动检测系统的研究 内部原理和引脚功能 g n d 中1 0 由r 0 q b s t t 0 n c n c n c 由t g g 2 v c - c 图3 3pp d 3 5 7 5 d 引脚排列图 f i g 3 3p , p d 3 5 t 5 dp i nd i a g r a m g n d v o t r r o d r d n c n c n c o v g t i d pp d 3 5 7 5 d 的封装形式为2 0 脚d i p 封装，其引脚排列如图2 3 所示。图2 4 为 l ap d 3 5 7 5 d 的内部结构原理图，中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单 元为1 0 2 4 位，它们的作用是接收照射到c c d 硅片的光，并将之转化成电荷信号，光敏 阵列的两侧为转移栅和模拟寄存器。在传输门时钟由t g 的作用下，像元的光电信号分 别转移到两侧的c c d 转移栅。然后c c d 的m o s 电容中的电荷信号在巾1 0 的作用下串行 从输出端口输出。上述驱动脉冲由专门的驱动电路产生。 1 6 大连理工大学硕士学位论文 图2 4i lp d 3 5 7 5 d 内部电路原理图 f i g , 2 4t h ep r i n c i p l ec t t r a to f o , p d 3 5 t s d 驱动时序 c c d 的驱动需要四路脉冲，分别为转移栅时钟由1 0 、复位时钟由r 0 、采样保持时钟 由s h 0 和传输门时钟由t g ，将它们分别输入到c c d 芯片的2 脚、3 脚、4 脚和8 脚，并 在相应的管脚接上相应的电压就可以实现对c c d 的驱动。 至此，系统方案基本确定，以下将进一步对具体工作方式和原理以及特点做详细描 述。 i t 蓄电池参数自动检测系统的研究 第四章检测系统从机设计 本章主要介绍从机原理图及其具体工作原理，具体的硬件电路设计，主要功能模块 以及流程图等内容。 4 1 从机设计原理图概述