車船蓄電池在線管理系統的構建

無錫機電高等職業技術學校 郭 平

近半個世紀以來，迅猛發展的工業對能源的需求空前巨大，加上對不可再生能源的不合理開采，導致了全球能源危機。為了緩解能源危機，各國相繼開發以蓄電池為動力的新型車船。蓄電池是電動車船動力系統核心，它的性能好壞直接影響車船的行駛能力。要高效精準地維護電池良好的工作狀態，就需要實時了解蓄電池工作狀況，毫無疑問，盡快構建車船蓄電池在線管理系統十分必要和緊迫。

1.蓄電池在線管理系統構建格局

1.1 動力蓄電池

蓄電池是一種可循環充電電池，常用種類有鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池等，其他還有鎘鎳蓄電池、鐵鎳蓄電池、鋅空氣蓄電池、鋁空氣蓄電池等諸多種類。作為車船動力蓄電池，比如鉛酸蓄電池，其性能較之一般用途的蓄電池，有比能量高、比功率大、正常工作溫度范圍寬、能快速充電、循環壽命長、自放電少等特點。在電動車船領域，現在裝備的密封閥控式免維護鉛酸蓄電池采用全密封防漏設計，解決了電池失水問題，可免維護運行，且具有容量大、比能量高、自放電小、使用壽命長、密封效率高、安全可靠等優點，符合車船用作動力蓄電池的設計要求。基于以上分析，在蓄電池在線管理系統構建試驗過程中，采用了單節電壓為12V、容量2OAH的全密封閥控式免維護鉛酸蓄電池組作為實驗對象，對整組4節串聯48V蓄電池組進行模擬運行分析，主要是考慮電源電壓較低便于實驗研究設計的管理系統。實驗證明其相關軟硬件設計理論，可直接推廣至由更多節電池串聯而成的電池組。

1.2 在線監測需求

目前電池組檢測技術受諸多因素影響遠遠不能滿足用戶實際電能生產需求，其反饋信息單一，精度低；大量的人工測量費時費力，安全性差，周期長，無法及時發現落后、失效蓄電池；頻繁的放電測試對蓄電池會造成無法恢復的傷害隱患。同時，蓄電池組在工作中，如電池本身的設計、生產廠工藝及使用維護等原因引發內部隱患，電池失效現象時有發生，嚴重影響了電能系統的正常運行。為保證系統的安全、正常運轉，必須對蓄電池的狀況進行在線實時檢測。從查閱大量資料和社會調研結果顯示，重新考量電池組檢測技術是業內十分關注的課題。為此，在構建蓄電池在線自動檢測初始實驗中，已充分考慮到對電池相關的底層信息的采集通道采取了必要的電氣隔離措施，從而避免電池組串聯高壓影響。經理論推演如果增加電池節數，相應的硬件系統只需增加與之相應的采集通道即可，能夠保證實驗成果的可應用性。

1.3 系統功能設計

構建蓄電池在線管理系統，如設計其主要功能有能報告電池組中單個電池狀態，以便及時消除個體隱患；能通過儀表對電池電量等多個參數實時顯示，為同步操作提供精準信息；能對電能的穩定狀態維持時間作出預告，為電池維護留出充足時間；能實現電池環境溫度的自動調節，提高電能輸出效率；能對出現的非正常工作環境發出警報，最大限度地延長蓄電池的使用壽命，節約運營成本，等等。設計蓄電池在線管理系統的這些重要的實用功能，為最終實現對蓄電池電能輸出的穩定性控制，排除外界擾動引起的蓄電池輸出電流或電壓的波動，減輕操作人員工作強度提供了有力保障。

1.4 系統主要部分

蓄電池在線管理系統，主要包括數據采集的底層驅動程序設計，不平衡檢測、容量預測、失效判定等管理功能的算法設計與程序設計，以及系統界面的程序設計等。

數據采集，獲取電池工作狀態參數和相關環境參數，包括電池端電壓、充放電電流、電池體溫度、環境溫濕度等底層信息采集。通過對采集的若干檢測數據進行算法處理，實現電池管理系統相關實用功能。電池狀態包括荷電狀態（SOC）和健康狀況（SOH）兩大方面。荷電狀態給出電池剩余容量相關信息；健康狀況給出與電池壽命相關的信息，可以近似表征電池的老化程度。

能量管理，根據電池相關狀態的信息控制電池充放電。安全管理，監視電池電壓、電流和溫度，防止電池的過充、過放電。溫度管理，控制電池組的溫度均衡，保證電池組在適宜溫度環境下工作。人機界面，有電池狀態的顯示，按鍵控制接口，報警裝置等，方便操控人員獲知電池相關信息。

2.蓄電池在線管理系統構建機理

2.1 確保精度

一般蓄電池的工作空間緊湊、數量眾多，且不能大量使用傳輸線纜。工作人員對電池的工作狀態逐一檢測既耗時又費力，工作量繁重且精度較差。通常電池采用開口式結構，在工作過程中產生的即使些許酸霧和氫氣都會對工作人員的身體和用電設備運行安全造成較大威脅。因此設計的蓄電池在線管理系統，其方案在生產運用中安全可靠、自動化程度高、容易操作和方便維修更換等方面的要求很高。蓄電池在線監測管理系統，針對測量電池的運行條件和檢測電池本身的狀況而設計，不僅要求能夠獲取系統多方面的數據，而且要求能夠在系統運作過程中獲得若干精準的實時數據。

2.2 監測參數

電池組由若干節電池組成，而單節電池內部又由多個單體電池組成。一般一個單體電池電壓為2V，6個單體電池串聯構成一節12V電池。由于生產工藝和成產過程的不一致，導致電池內部單體電池彼此之間的容量有偏差，不可避免的在整組電池中發生部分電池過充、過放或虧充的現象，這將使得電池性能惡化，電池間不平衡程度進一步拉大，進入惡性循環。因此，能夠及時發現電池組中落后電池是哪一節或哪幾節落后，落后程度等信息，對維護電池性能具有非常重要的意義。判斷工作電池之間的不平衡，對單體電池端電壓進行跟蹤檢測與比較，其內部單體電池故障狀況就可以實時反映出來。通常電池組故障處理的最小單位是單節電池，而更換電池組中落后的單體電池成本低，更便捷。蓄電池在線管理系統構建對蓄電池運行參數實行全面監管，諸如單體電池電壓、電池組電壓、充放電電流、蓄電池的環境溫度等參數，從而保證蓄電池在正常條件下穩定工作。

2.3 設置報警

當電池性能出現惡化或者工作環境出現異常時，系統利用蜂鳴器發出報警信號。根據蓄電池在線管理系統整體設計的標準要求，針對各種情況設定相關警報門限值。實驗中將整組電池電壓監測采用UPS設計在整流電源內。測量電池組的電壓、電流和溫度，進行充電和放電管理，尤其是根據環境溫度變化調整電池的浮充電壓，在電池放電時電池組電壓低至某下限時報警。整組監測存在較大的不足是在蓄電池組放電時，放電的截止電壓是N×1.8V/只（N為蓄電池數量），由于蓄電池組中蓄電池單體的一致性無法嚴格保證，因此在放電中當個別電池已經達到放電截止電壓，但電池組并沒有達到N×1.8V/只時，就會出現個別電池過放電。當單節電池放電至終止電壓1O.8OV時，若還未停止放電，電池過放電需要發出警報。正常工作模式下，若放電電流超過1OA則視為深放電，長時深放電時發出警報；當電池運行環境溫度超過5O℃時，發出溫度異常警報。

3.蓄電池在線管理系統構建特色

3.1 優越的集成系統

為了提高蓄電池在線管理系統的集成度與便攜度，設計開發基于單片機嵌入式技術以及傳感技術的電池電量檢測系統。將所有元件集成在一塊PCB板上。硬件電路能對蓄電池各個參數，包括單節電池端電壓、放電電流和電池溫度等進行實時在線的準確測量。使用STC11F6OXE單片機芯片作為輸入、計算﹑控制和輸出的中央處理器，檢測與處理各項參數。

其中，單片機最小系統設計如圖3所示。

另外，選用可調恒流負載模塊和大功率三極管控制主放電回路，整個系統的先期調試和測試可以方便地在實驗室內完成。同時，該負載還可以模擬負載，比如車船的加速、減速和勻速的運行狀態，使得實驗數據完全再現實際狀況，更加貼近設計指標。

3.2 先進的檢測技術

在檢測技術方面，采用先進的分電池單獨檢測法。這與目前大多數只檢測整個電池組相比，該方法能使操作者清楚地了解到電池內每個電池的狀況，避免因單個電池的損壞而影響其他串聯電池的使用壽命。電壓測量采用高線性度光電耦合器進行隔離。電流測量采用霍爾電流傳感器。同時，將主回路高壓大電流信號統一隔離成O-5V標準信號，使得系統抗干擾能力強，精度高。AD轉換采用轉換周期為1Ous的12位高速高精度AD，保證了參數采樣的可靠性。

3.3 優化的數據算法

在系統軟件開發中，采集檢測數據進行剩余電量計算法、電池組不平衡檢測算法等多種算法處理。比如在基于安時積分法（AH法）的電池剩余容量的預測模型中引進Peukert方程。考慮電流和溫度等因素變化對電池實際容量的影響，電池剩余容量預測有較高可靠性。其原理是對充放電電流按時間進行積分，累計電池放出電量，再根據蓄電池總容量得出剩余容量。再如SOC估算方法，利用車船電池間歇工作特性，基于開路電壓法與安時積分法相結合，充分考慮各種影響因素并進行補償，據此判定電池是否失效，免除了對電池做核對性放電試驗的麻煩。通過對單片機算法統籌，蓄電池在線管理系統具備串聯電池組不平衡檢測，剩余容量預測，電池失效判定，電池異常工況報警等多種功能，很好地滿足了用戶需求。

3.4 友好的人機界面

蓄電池在線管理系統設置自動警報喇叭，在出現電量過低﹑端電壓過低﹑電池組嚴重不匹配﹑負載過大﹑溫度異常等情況時提醒操作者注意。在人機接口上，選用32O×24O像素的TFT彩色液晶屏顯示系統采集的各項數據、參數和電池運行狀態，并接有導航鍵盤，方便用戶操作。簡潔、友好、直觀的輸入、輸出的用戶界面，實用易用價值凸顯。

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