變電站蓄電池剩余容量在線監測淺析

曾麟+高俊彥+陳海+林筱慧+黃景婧

【摘 要】閥控鉛酸蓄電池作為直流系統后備電源被廣泛的應用在變電站中，但由于在具體的使用過程中缺乏完善的監測手段，導致直流電源常常由于電池問題引發一些不必要的事故。設計選擇一種有效的蓄電池在線監測方案，通過監控軟件準確地掌握蓄電池的內阻、電壓以及剩余容量等參數顯得十分重要，論文介紹和分析了蓄電池剩余容量在線監測設計發展及各類方法。

【關鍵詞】蓄電池內阻；在線監測；剩余容量

一、蓄電池在線監測系統功能完善方案

傳統核對性放電設備普遍都是采用電阻絲對電池進行放電，而且都是人工操作，它的程序很繁瑣，還存在一定人身危險，現在這種傳統的核對性放電試驗正在被逐步淘汰。單一頻率的交流測試法幾乎可以用來測量所有種類電池；交流法的測量對電池的本身不會造成大的損害。單頻率的交流測試法的缺點是測量精度比不上直流內阻測試法，其測量精度可能會受紋波電流影響，有時還受到電磁波電流干擾，測試電路的抗干擾能力還需要加強。使用單一頻率交流法來提取電池阻抗信息來判斷蓄電池剩余容量（SOC）以及健康狀態的判據還不是很充足，且單一頻率的方法難以平衡測量的準確性、復雜度的等因素。上述方法都各有優缺點，我們要根據不同的應用情況和測試要求來選擇在線監測的方法，可以綜合考慮采用兩種或兩種以上的方法進行判斷和分析，以完善對蓄電池組的在線監測水平。

二、幾種常用的剩余容量預測方法

（一）密度法

蓄電池剩余容量和其內部電解液密度密切相關。其電解液密度由硫酸鉛、氧化鉛和鉛三者決定。通過測量電解液的密度值，可間接推算其剩余電量。但在電池使用后期，隨著正負極板的腐蝕、斷筋，上述三種物質的比例發生較大差異，從而導致用密度值推算剩余電量不再準確。另外密度法常用于開口式鉛酸電池內阻的測量，不適合密封式蓄電池內阻的測量。

（二）開路電壓法

開路電壓法是通過測量蓄電池的直流端電壓來估計蓄電池的剩余容量，精度很差，甚至得出錯誤結論。因為即使一個容量已經變得很小的蓄電池，在浮充狀態下其端電壓仍可能表現得很正常。

（三）放電法

通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內的電池端電壓變化率，根據變化率的大小推算剩余電量。變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了縮短測量時間，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會產生嚴重損傷，影響電池的使用壽命。另外，此方法也不適合在線測量。

（四）交流注入法

通過對蓄電池注入一個低頻交流電流信號，測出蓄電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以及兩者的相位差，從而計算出內阻。這種方法由于測試時不需要將蓄電池系統退出運行，可以實現在線檢測。但這種方法容易受到各種因素的干擾以及本身是一個很大的容性器件，造成它的測量精度不高。

三、交流紋波法測量測試方案的實施

（一）硬件設計

1.單片機Atmega16

本系統采用Atmel公司的新一代AVR單片機（Atmega16）是一種功能非常強大的單片機，片內不僅集成了許多外圍接口功能電路，而且運算速度快、功耗低、可靠性高，非常適合在智能儀器儀表應用。該單片機具有如下優越性能：

（1）超功能精簡指令，高速度、低功耗，每一條指令執行速度可達50ns；

（2）片內有16kBFlash程序存儲器，512字節EEPROM數據存儲器，1k字節SRAM存儲器；

（3）32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器；

（4）三個具有比較模式的靈活定時器/計數器（T/C），片內/外中斷，內置看門狗Watchdog定時器，防止程序跑飛；

（5）8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC；

（6）工作電壓范圍為2.7～5.5V，電源抗干擾性能較強。

2.前置放大電路

由于電池的內阻很小，一般為幾十微歐到幾十豪歐，充電設備施加到蓄電池上的紋波電流安培級而紋波電壓僅為幾十毫伏，因此在本裝置中差動放大器采用高精密的儀器用放大器AD620，其內部核心為三運放電路，有較高的共模抑制比CMRR，溫度穩定性好，噪聲系數小，只要外接一個電阻可以設置1～3000的增益。

3.鑒相處理電路

由前面的分析，交流紋波法預測蓄電池內阻，需要測量紋波電壓U、紋波電流I及二者之間的的相位差θ，由于紋波電壓信號是毫伏級的交流信號，需要進行放大、交流采樣等一系列軟硬件處理才能得出其有效值，另外還需專門電路求相位差θ并將它轉化為cosθ處理，既影響了精度，又增加了系統的復雜性。故采用鑒相處理的方法，即將蓄電池兩端上的交流紋波電壓信號與相應的經過一定處理措施所測量的正弦電流信號相乘，通過濾波器濾掉交流成分，再將cosθ映射到內阻中。

4.A/D轉換器

單片機Atmega16雖然內置8路10位具有可選差分輸入級可編程增益（TQFP封裝）的ADC，但無法滿足本套裝置的測量精度。為獲得較高的剩余電量預測精度，被測值必須有足夠多的有效位數，為此我們取4位有效數字，這樣就要求A/D轉換器必須在14位以上。由于蓄電池內阻、電壓均為變化緩慢的低時變信號，所以只需選低速串行A/D轉換器，為此選用AD7715、AD7715為16位A/D轉換器，具有自校零、自校量程功能，具有很高的測量精度，另外還有SPI接口，便于與單片機高速通信。

（二）軟件設計

本套測試系統中的Atmega16單片機采用目前流行的CodeVision編譯器進行軟件設計，編譯語言為嵌入式C語言，包括主程序、液晶顯示程序、時鐘驅動/設置程序、數據存儲及處理程序、A/D程序、串口通訊程序等。

四、高噪聲情況下在線測量方法的改進

測量蓄電池剩余容量具有較高精度，離線測量時誤差優于7%。然而在實時的在線測量中，卻發現實際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，有時誤差甚至超過10%。是什么原因引起這種誤差呢？為此，我們對蓄電池的幾種工作狀態，即供電正常情況下的浮充狀態，市電故障情況下的放電狀態以及逆變器故障時的狀態分別進行了測試，發現在逆變器故障情況下，可以達到與離線測試時近似的精度。至此，可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的，為此，我們嘗試采用低通濾波器的方法來提高測試精度，效果很好。

五、結語

在分析研究了當前幾種常見蓄電池剩余容量預測方法的基礎上，本文提出了一種利用充電機交流紋波來獲得蓄電池容量相關信息的新方法———交流紋波法，并詳盡的闡述了其硬件與軟件的設計。通過本裝置真正實現了蓄電池剩余容量在線實時監測，對提高直流系統的安全運行、提高供電系統的可靠性和自動化程度，有著十分重要的意義。

參考文獻：

[1]史相玲.蓄電池在線監測系統的研究[D].河北：河北農業大學，2009，12.

[2]高鵬，崔君瑩，白瑞雪.閥控密封式鉛酸善電池的原理及其運行維護[J].電源技術應用，2009（11）：23-25.endprint