一種基于SOH的機載蓄電池地面維護設(shè)備的實現(xiàn)

夏承成，王順利，李占鋒，馬有良

（1.西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，四川 綿陽621010；2.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 綿陽621010）

0 引 言

鎘鎳蓄電池是常用的機載蓄電池，其荷電狀態(tài)（State－of－Charge，SOC）和健康狀態(tài)（State－of－Health，SOH）數(shù)據(jù)是評價蓄電池能否繼續(xù)使用的重要參數(shù)。而SOH值的估計需要測量當(dāng)前電池最大容量，最大容量又受到蓄電池電解液濃度、蓄電池內(nèi)阻、使用環(huán)境溫度、電池循環(huán)次數(shù)等多種因素影響，使得在實際應(yīng)用中難以估計其真實值。

1 SOH估計方法研究

1.1 SOH的定義

SOH反映蓄電池老化情況，其定義公式：

式中，CM為當(dāng)前蓄電池最大容量；CN為蓄電池容量標(biāo)稱值。一般而言，新蓄電池的SOH值往往大于等于100%，隨著蓄電池的使用，其值逐步下降。在IEEE標(biāo)準(zhǔn)1188.1996中規(guī)定當(dāng)電池容量下降到80%，即SOH＜80%時，電池就需要進行更換。

1.2 SOH檢測方法

目前，SOH的檢測方法有兩種：

一種是對蓄電池進行放電試驗。對充滿電的蓄電池進行放電試驗，恒流放電到蓄電池剩余容量的零點，計算這個過程中電池的容量為其當(dāng)前狀態(tài)下的最大容量。充放電試驗是最直接的，也是工業(yè)領(lǐng)域公認(rèn)的可靠方法，但是需要消耗大量的時間和人力，并且不能夠?qū)崟r監(jiān)測SOH。

另一種方法是檢測蓄電池的內(nèi)阻。從研究蓄電池內(nèi)阻和SOH的關(guān)系來間接估計SOH值，當(dāng)SOH下降時，蓄電池內(nèi)阻增大。但是SOH與內(nèi)阻呈高度非線性，使得該方法難以實現(xiàn)精確的估計。

對于機載蓄電池的地面維護情況，維護人員更看重蓄電池最大容量的估計精確度，而對時間的要求不怎么重視。實際上，在完成合格檢驗后往往還需要將被測電池充滿電才完成整個維護過程。針對地面維護情況，本文采用第一種方法，即放電試驗法來估計蓄電池的SOH。

2 維護設(shè)備設(shè)計

針對地面維護過程消耗大量時間的特點，設(shè)計了對蓄電池進行自動維護的設(shè)備——BMTS－2蓄電池組維護設(shè)備。

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

BMTS－2硬件方面包括了工控機、數(shù)控電源、電子負(fù)載、控制回路、蓄電池接口電路以及通信回路，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 BMTS－2維護設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)示意圖

工控機作為核心控制設(shè)備，完成對數(shù)控電源、電子負(fù)載以及控制回路的控制功能，包括開啟、關(guān)閉和設(shè)置電壓、電流值；同時，對采集數(shù)據(jù)的處理功能也是由上位機完成，包括計算SOH，邏輯判斷以及更新人機界面信息。數(shù)控電源和電子負(fù)載分別作為蓄電池的電源和負(fù)載完成充放電功能，對充放電電流的限制也由該部分進行控制。控制回路通過繼電器完成各個回路的開閉狀態(tài)，同時也承擔(dān)檢測蓄電池端電壓、回路電流的功能。工控機與各個設(shè)備間采用RS485進行通信，保證了通信的傳輸速率和抗干擾能力。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用Visual Studio 2010下的C＃編程實現(xiàn)。Visual Studio是美國微軟公司開發(fā)的工具包系列產(chǎn)品，是一個完整的開發(fā)工具集。C＃是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮摹⑦\行于.NEW Framework上的高級編程語言。C＃保留了C和C＋＋的優(yōu)點，去掉指針以保證程序的安全性，并最大限度的保留編程習(xí)慣讓開發(fā)人員能夠迅速熟悉C＃的開發(fā)環(huán)境；同時由Visual Studio提供豐富的控件，方便開發(fā)人員快速開發(fā)出人機界面，縮短程序開發(fā)周期。

2.2.1 軟件功能結(jié)構(gòu)

維護設(shè)備一方面要實時監(jiān)控蓄電池充放電的實時信息，響應(yīng)用戶對其的操作；另一方面要計算維護過程中蓄電池放出的電量，并在維護過程中提供對蓄電池充電的安全管理。基于以上因素將軟件功能分為：參數(shù)設(shè)置、維護功能、計量功能以及數(shù)據(jù)管理幾個功能。軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2。

2.2.2 參數(shù)設(shè)置功能

在地面維護過程中，設(shè)備需要維護不同型號的蓄電池，其充放電電流、停止電壓、額定容量等參數(shù)都不盡相同，出于提高設(shè)備的泛用性目的，軟件提供參數(shù)設(shè)置功能，允許設(shè)置不同蓄電池參數(shù)模型，用以存放不同蓄電池參數(shù)信息，提供不同的判斷依據(jù)和充電方式。不同的模型間相互獨立并存入數(shù)據(jù)庫，用戶在使用中只需要選擇電池型號即可完成操作。

圖2 軟件功能結(jié)構(gòu)

2.2.3 維護功能

維護功能是維護設(shè)備的核心功能，完成對蓄電池的整個維護過程的控制。維護功能完成的工作：實時采集蓄電池端電壓和回路電流；對采集量進行處理，計算SOH；判斷電壓、電流是否在設(shè)定限制區(qū)間以及SOH是否合格，并采取相應(yīng)的對策；顯示電壓、電流曲線，顯示蓄電池電量信息及設(shè)備工作狀態(tài)信息，如圖3所示。

圖3 維護功能界面

為提高系統(tǒng)的擴展性和兼容性，功能的實現(xiàn)被分為多個功能模塊：通信傳輸模塊，邏輯處理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。

（1）通信傳輸模塊

通信傳輸模塊負(fù)責(zé)與電子設(shè)備進行通信。因為數(shù)控電源和電子負(fù)載采用不同的通信協(xié)議，所以在該模塊內(nèi)再細(xì)分SPCI模塊與Modbus模塊分別管理與數(shù)控電源和電子負(fù)載的通信功能。

（2）邏輯處理模塊

邏輯處理模塊的核心是SOH判斷功能和維護過程控制功能。

對蓄電池SOH的判斷標(biāo)準(zhǔn)有兩個，新電池的SOH必須大于100%才算是合格產(chǎn)品；當(dāng)電池使用一段時間后，其SOH會降低，此時需要將80%看作是合格與否的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因為就蓄電池本身而言缺少記錄使用時間的硬件設(shè)置，其SOH合格判斷標(biāo)準(zhǔn)的選擇將由維護工作人員來進行選擇。

維護過程控制功能內(nèi)定義了多種充放電方式，包括恒流充電、分段充電以及恒壓充電，過壓保護、欠壓保護、充停判斷。該模塊的作用是判斷維護過程進行的階段，并采取相應(yīng)的保護動作防止過度充電與過度放電，保持蓄電池有一個穩(wěn)定可靠的充、放電環(huán)境。

（3）數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)將采集、處理后的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中。在實際測試中，會發(fā)生通信干擾或者蓄電池連接線故障等異常，將對數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生影響，所以在保存過程中，需要對異常的數(shù)據(jù)進行篩選。此外，在該系統(tǒng)中為了最大限度發(fā)揮工控機的性能，設(shè)計了4個維護通道，同時對4組蓄電池進行維護和SOH檢測。

2.2.4 計量功能

計量功能用于對設(shè)備測量能力進行檢驗，對使用到的數(shù)控電源、電子負(fù)載和電壓表等提供計量功能，以檢驗設(shè)備本身的測量精度。

2.2.5 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理提供對采集數(shù)據(jù)的查詢、搜索和導(dǎo)出，用于對維護數(shù)據(jù)進行分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 容量檢驗試驗

為檢驗維護設(shè)備實際工作性能，選用實際蓄電池進行測試。選用的蓄電池標(biāo)定容量為2.2 Ah，其充電截止電壓為28 V，放電截止電壓為15 V，采用0.2C即440 mA進行放電。

進行實驗前，先將蓄電池放電到截止電壓，再重新充滿電，以確保電池充滿電。然后進行放電試驗，計算蓄電池當(dāng)前狀態(tài)下的最大容量。從28 V開始以電流440 mA持續(xù)放電到15.01 V停止，期間放出電量2.34 Ah，該電池SOH 值為106.4%。

圖4為放電試驗期間電量與時間關(guān)系曲線，X軸為采集點序號，采集周期為1分鐘一次。Y軸為當(dāng)前蓄電池放出電量，取其最后時刻的值作為蓄電池當(dāng)前最大容量。

圖4 放電過程容量—時間曲線

3.2 單樣本多次維護數(shù)據(jù)記錄

將該電池進行多次放電試驗，記錄其放電電量并計算SOH，檢驗該方法的可靠性。多次實驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 單樣本多次實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)備能夠準(zhǔn)確跟隨蓄電池電量變化并計算得出SOH值。

3.3 多樣本數(shù)據(jù)對比

取多個同型號樣本進行測試，實驗數(shù)據(jù)如表2。其中，1號電池為上述實驗電池，2～5號電池為廠方提供新電池，6、7號為使用超過1年返廠維護的蓄電池，8～10號為報廢電池。

表2 多樣本實驗數(shù)據(jù)

從實驗數(shù)據(jù)中，新電池SOH大于100%，長期使用后SOH降低；當(dāng)SOH低于80%，判斷其不合格。設(shè)備檢驗結(jié)果與實際相符合。

4 結(jié) 論

基于SOH檢驗的蓄電池維護裝置采用穩(wěn)定、可靠的檢驗方法，提供準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)和檢驗結(jié)論，利用計算機自動化維護給維護人員提供簡潔方便的操作方式，滿足機載蓄電池地面維護需求。

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