面向通信基站的蓄電池組在線監測系統設計*

唐旺祥，沈國平，何 衍

（1．浙江大學電氣工程學院，浙江杭州 310027;2．杭州大光明通信系統集成有限公司，浙江杭州 310027）

0 引言

隨著移動通信網絡的不斷擴大，通信基站的建設也越來越廣泛。鉛酸蓄電池由于其密封環保、性能穩定、維護方便等優點已被廣泛用于通信基站的UPS電源［1］。通信基站的蓄電池組采用串聯結構為設備供電，使用安時計量法［2］對容量進行測試時必須成組放電，具有共同的放電電流和放電時間，只能測量整組電池容量，而不能測量單體容量，因此，其容量估計具有特殊性。由于鉛酸蓄電池是一個復雜的電化學體系，其性能和壽命取決于電池材料、工藝結構、電池運行環境等多方面因素，目前沒有一個有效的電化學模型對其容量做精準估計，給通信基站的維護工作帶來了諸多不便。

為了給通信基站的蓄電池提供一種便捷準確的維護方式，本文提出并實現了一種基于Modbus總線［3］的蓄電池組在線監測系統，能通過串聯放電對所有電池的容量進行估算，檢測性能過低的電池并提醒維護人員進行針對性更換。利用主從分布式數據采集系統對蓄電池容量實現在線監測，節省了人工現場放電估計電池容量的成本。

1 系統整體功能設計

如圖1，蓄電池組在線監測系統的功能由控制模塊、采集模塊、人機界面、總線接口、數據處理模塊組成。

控制模塊包括電池選通和模式選擇。蓄電池組處于空閑狀態時，被接入浮充回路進行充電，以保證市電斷開時具有足夠的容量。當需要對蓄電池組容量進行估算時，蓄電池組從浮充回路中斷開，接入負載放電回路中，進入放電測試模式。模式選擇對蓄電池組所處模式進行控制。電池選通不斷循環對單節蓄電池進行選通切換，接入電壓測量回路中進行電壓采集。

采集模塊對蓄電池組的電壓、電流和環境溫度進行采集，并將采集結果傳送給數據處理模塊和人機界面。

數據處理模塊將電壓、電流等數據進行濾波、存儲，并對負載放電模式下的數據進行處理，估算電池容量。

用戶可通過人機界面的鍵盤輸入人工進行放電控制，也可以選擇特定的實時數據進行查看。

2 硬件設計

通信基站備用蓄電池組采用串聯結構為負載提供一定電壓，各個不同基站負載種類可能不同，導致串聯電池組中單體電池的數目也不相同。為適應多變的應用場合，提高系統的靈活性，系統采用如圖2所示的Modbus主從式結構。

圖2 硬件主從結構圖Fig 2 Host-slave structure diagram of hardware

電池組的串聯結構使得只需一個電流模塊對串聯放電電流進行采集。主機單元是整個系統的主要控制部分，接收上位機或者人機界面的請求，對人機交互、蓄電池組的模式切換、實時數據采集和存儲以及容量估算進行控制，并采集環境溫度數據。從機循環選通各節電池進行電壓采樣。

2．1 主機單元硬件設計

圖3闡述了主機單元的結構組成。

主機單元從外部傳感器中采集溫度數據，LED指示燈指示電源狀態和各個串口工作狀態，蜂鳴器用于現場報警。

主機單元通過按鍵和LCD實現人機交互，按鍵模塊和LCD模塊在主機單元上均有對應接口。

主機單元MCU（微控制單元）采用德州儀器半導體公司的Cortex-M3結構的ARM芯片LM3S1911。LM3S1911微控制器是針對工業應用方案而設計的，包括遠程監控、電子販售機、測試和測量設備、網絡設備和交換機、工廠自動化等。該芯片內置Flash存儲器大小為256 k，可重復擦寫，能滿足LCD模塊中需要存儲的字庫數據大小;支持JTAG［4］和SWD兩種在線調試方式，方便開發過程。

圖3 主機結構圖Fig 3 Structure diagram of host computer

2．2 從機單元硬件設計

從機單元的主要功能是控制電池組的電壓采集和選通，并將采集的數據通過Modbus總線傳送給主機單元。從機單元結構圖如圖4所示，所選MCU與主機單元相同，節省了開發成本和不同平臺的熟悉時間。從機對不同蓄電池電壓的采樣通過光耦繼電器的通道選擇來實現。

圖4 從機單元結構圖Fig 4 Structure diagram of slave computer unit

從機單元電壓采集選用16位高速的A/D芯片AD7652，確保低于0．1%的電壓測量誤差與解決溫漂問題。AD7652是Analog公司的高性能16位A/D采樣芯片，采樣頻率可高達500 kSPS，能滿足電壓采樣過程中對多個通道的采樣。

2．3 電流采集模塊

電流采集模塊結構如圖5所示。

圖5 電流采集模塊結構圖Fig 5 Structure diagram of current collecting module

電流傳感器采用 HDC300EK，電流測量范圍是0～300 A，輸出為模擬電壓范圍是0～5 V。電流采集模塊為電流傳感器提供工作電壓并將電流傳感器的輸出電壓值進行模/數轉換，通過Modbus總線傳送給主機單元。

電流傳感器的采樣頻率要求不高，采樣分辨率不需要很精確，從節約成本的角度選用了TI公司的12位AD采樣芯片ADS7822。

3 系統軟件設計

3．1 主機單元任務組成

本系統中，尤其是主機單元的各個功能都具有一定的獨立性，因此，使用uC/OS-II操作系統［5］能夠使程序結構更加清晰，管理方便，同時也為任務的增加、擴展提供了軟件平臺。uC/OS-II的實時性也能使電池組電壓采集和數據傳輸得到及時響應。

主機單元由電壓電流采集任務、容量監測任務、上位機通信任務、溫度采集任務、Modbus通信任務、人機交互任務組成。主機單元的任務組成以及各個任務之間的聯系如圖6所示。人機交互任務接收按鍵請求并做出對應響應，包括改變LCD顯示、請求采樣數據、請求容量監測等。

圖6 主機任務示意圖Fig 6 Schematic diagram of host computer task

容量監測任務定時對蓄電池組進行放電容量估算和相應控制（包括蓄電池組的模式切換、電壓請求間隔的改變等），也接收外部實時監測請求（來自人機界面或上位機）。

電壓電流任務定時對電壓和電流進行數據采集、存儲，采集間隔受容量監測任務控制，同時也接收外部實時采集請求。采集請求通過Modbus發送給從機或者電流模塊。

Modbus通信任務響應各種通信請求并將返回數據保存在對應內部寄存器中。

上位機通信任務負責與上位機的通信工作。

圖6中箭頭所指方向為任務間消息傳遞的方向。可以看出，任務之間消息傳遞發起者和接收者各不相同，路徑錯綜復雜，無論是在編程上還是理解上都造成了一定困難。為了解決這個問題，參考WinX的消息派遣機制，在系統中引入消息派遣任務對消息進行集中管理。

3．2 消息派遣任務

消息派遣任務負責集中接收各個任務發出的消息請求，并根據請求種類派遣給相應的任務函數去執行。引入消息派遣任務后主機單元的消息路徑如圖7所示。

圖7 消息派遣機制示意圖Fig 7 Diagram of message dispatch mechanism

引入消息派遣任務后，消息從發出任務到消息隊列［6］，再從消息隊列到接收消息的任務，有以下優點:

1）發出消息的任務只需統一向消息派遣任務發送消息即可，而不用去管發出的消息應該送給哪個任務。

2）消息派遣任務統一進行任務之間消息的派送，對消息隊列進行集中處理，使得程序結構和思路更加清晰。

3．3 從機單元任務組成

從機單元只包含一個用戶任務，定時切換電壓選通通道、采集電壓以及由Modbus總線接收請求并作出應答。

4 容量估計

4．1 安時法容量估計

蓄電池處于連續工作狀態時，電池放電電流是持續的。可根據電流對時間的積分，使用安時計量法對電池容量進行估計。安時法每隔一段時間對電流進行采樣，用積分方法計算出已用電量Cu（Ah）

當蓄電池的電壓下降到一定值時，更深度的放電會對電池造成損害，此時認為電池的電量已經放光［7］。由此可估算出電池從放電開始到結束時所釋放的容量。

目前，其他在線容量測試方法測量偏差大，無法達到10%以內的要求。因此，基站常用測試方法仍然是安時放電法。

安時放電法測量的容量標準為電池在10 h放電率電流下放出的容量，由于10 h時間相對過長，一般采用3 h放電率電流進行放電。3 h放電率下，電池放出電量為10 h放電率的75%。即使如此，以24節電池為例，要依次測量每節電池容量也需要72 h。因此，通信基站蓄電池組常采用串聯放電結構，單次放電對蓄電池組容量進行測量。但是串聯放電下任意單節電池到截止電壓1．8 V時整組電池將停止放電，用普通安時法只能檢測出容量最低的電池，其他電池未到1．8 V，放電不完全，剩余容量需要用其他方法進行估計。

4．2 神經網絡估算模型

神經網絡是模擬人腦細胞的分布式工作特點和自組織功能，且能實現并行處理、自學習和非線性映射等能力的一種系統模型，特別適用于需要同時考慮諸多因素和條件的非線性未知模型。

蓄電池放電結束后的剩余容量可以反映在放電時間、起始電壓和結束電壓上，并且具有一定的非線性特性，使用BP神經網絡能對其進行有效估計。圖8給出了蓄電池剩余容量的BP神經網絡模型。

圖8 BP神經網絡模型圖Fig 8 Diagram of BP neural network module

BP神經網絡采用3層結構:輸入層，隱含層和輸出層。訓練樣本從淳安、富陽等地選取6個不同地方的144組數據，得出剩余容量測試結果如圖9所示。

圖9 剩余容量測試結果Fig 9 Test result of residual capacity

5 實驗結果

選取建德梅城蓄電池組為實驗對象，該蓄電池組單體電壓為2．5 V，額定容量為500 Ah。對電池組進行3 h放電率放電，放出容量為10 h放電量的75%，因此，放電電流為125 A左右，在線控制放電，放電截止電壓為1．8 V。

實驗結果如表1所示，所得容量均已換算成10h放電率的標準。

表1中23#為最先到達截止電壓的電池，其容量為安時法積分所得，共計放出89 Ah，其他電池容量為神經網絡模型估算結果。各節電池的估算誤差均在25Ah以內，相對誤差在10%以內，能有效檢測出性能過低的電池。

6 結束語

本系統以LM3S1911為控制芯片，采用分布式主從控制的方式，以實時操作系統uC/OS-II為平臺，通過Modbus總線控制各單元之間的通信，軟件上通過實時操作系統uC/OS-II增加任務，系統靈活、便于后續開發;采用神經網絡進行建模，通過嵌入式控制器實現蓄電池容量的在線估算，對蓄電池狀態進行監視，節省了人工容量測試的成本。

表1 實驗結果Tab 1 Experimental result

放電實驗表明:監視結果準確可靠，可用于移動基站、變電站等需要對蓄電池進行定時維護的場合。

［1］ 王吉校，錢希森．閥控鉛酸蓄電池容量測試技術研究［J］．蓄電池，2007（2）:57－58．

［2］ 林成濤，陳全世，王軍平，等．用改進的安時計量法估計電動汽車動力電池SOC［J］．清華大學學報，2006（2）:247－251．

［3］ 華 镕．從Modbus到透明就緒:施耐德電氣工業網絡的協議、設計、安裝和應用［M］．北京:機械工業出版社，2009．

［4］ Leatherman R．An embedding debugging architecture for SOCs［J］．IEEE Potentials，2005，24（1）:12．

［5］ Labrosse J J．嵌入式實時操作系統uC/OS-II［M］．邵貝貝，譯．2版．北京:北京航空航天大學出版社，2003．

［6］ 周世杰，劉錦德，秦志光．消息隊列技術研究:綜述與一個實例［J］．計算機科學，2002（2）:84 －86．

［7］ Anbuky A H，Pascoe P E，Lane R G．VRLA battery capacity measurement and discharge reserve time［C］∥Telecommunications Energy Conference，INTELEC，San Francisco，CA，1998:302－310．