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1、分类号：分类号：TM912TM912 密密 级：级： 公公 开开 U U D D C C ： 单位代码：单位代码： 1042410424 工工 程程 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 直流屏蓄电池检测系统设计直流屏蓄电池检测系统设计 任任 清清 华华 申申请请 学学位位 级级别别：工程硕士工程硕士 领领域域名名称称：控制工程控制工程 指指导导 教教师师 姓姓名名：公公 茂茂 法法 职职 称：称：教教 授授 副副指指导导教教师师姓姓名名：郭郭 大大 代代 职职 称：称：高级工程师高级工程师 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零一一年五月二零一一年五月 论论文文题题目：目： 直流屏蓄电池检测
2、系统设计直流屏蓄电池检测系统设计 作者姓名：任清作者姓名：任清华华 入学入学时间时间： ： 2009 年年 9 月月 领领域名称：域名称：控制工程控制工程 研究方向：研究方向： 检测检测技技术术与自与自动动化装置化装置 指指导导教教师师： ： 公茂法公茂法 职职 称：称： 教教 授授 副指副指导导教教师师： ：郭大代郭大代 职职 称：称： 高高级级工程工程师师 论论文提交日期：文提交日期：2011 年年 5 月月 论论文答文答辩辩日期：日期：2011 年年 6 月月 授予学位日期：授予学位日期： DC PANEL BATTERY TEST SYSTERM DESIGN A Dissertati
3、on submitted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Ren Qinghua Supervisor: Professor Gong Maofa College of Natural Resources and Environmental Engineering May 2011 声声 明明 本人呈交给山东科技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和本人呈交给山东科
4、技大学的这篇工程硕士学位论文，除了所列参考文献和 世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有世所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有 呈交于其它任何学术机关作鉴定。呈交于其它任何学术机关作鉴定。 工程硕士生签名：工程硕士生签名： 日日 期：期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Engineering in Shandong Universi
5、ty of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date: 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要摘要 本文系统总结了直流屏蓄电池检测的研究背景和国内外研究现状，系统阐 述了各种蓄电池状态及其故障检测方法，并对蓄电池内阻测量方法进行了详尽 的分析和研究。最终，设计了一套蓄电池检测系
6、统的硬件电路的实现方法及其 软件设计的流程图，文章最后对实验的结果进行了的比较分析，提出了蓄电池 检测系统进一步改进和完善的合理化建议。 蓄电池检测系统以 89C52 为控制核心，来实现蓄电池信息采集与显示，故 障判定及报警等功能。其中，蓄电池电压信息的采集处理功能由 AT0804 运算 放大器构成的差分多级放大电路实现，ADC 选用 ADC0804 芯片来完成。继电 器驱动电路采用光电隔离，以避免对 MCU 造成损坏。 关键词：关键词：直流屏、蓄电池检测、内阻测量、差分放大电路 山东科技大学硕士学位论文 Abstract Abstract This paper summarizes the
7、research background and status of detecting direct current panels storage battery in domestic field and overseas. Various kinds of battery statuses and fault detection methods are given a systematic exposition. Besides, the method of measuring batterys internal resistance is analyzed and studied in
8、this paper. Finally, the implementation method and its flow chart of software design of battery detection system are designed. At the end of this paper, the experiment results is compared and analyzed. The proposals about having a further improvement of battery detection system are put forward. Batt
9、ery detection system takes 89C52 as control core. It has functions of battery information collection and display, fault judgment and alarm and many other functions. Among them, the function of collecting and dealing batterys voltage information is realized by a difference multi-level amplifier circu
10、it consisting of AT0804. The AC to DC conversion is finished by ADC0804. Photoelectric isolation is adopted in relay drive circuit in order to avoid the damage of MCU. Keywords: direct current panel; storage battery detection; internal resistance detection; difference amplifier 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录目录
11、1 绪绪 论论.1 1.1 课题的研究背景及国内外研究现状 1 1.2 本论文的主要研究工作.4 2 蓄电池状态及其故障检测方法蓄电池状态及其故障检测方法.5 2.1 概述.5 2.2 阀控式密封铅酸蓄电池特性.5 2.3 蓄电池电压检测方法.7 2.4 蓄电池内阻测量方法 .10 3 蓄电池状态检测系统硬件设计蓄电池状态检测系统硬件设计.16 3.1 系统设计总述.16 3.2 电压测量方法的实现.17 3.3 蓄电池内阻测量电路设计.23 3.4 辅助电路的硬件设计.26 4 系统软件设计系统软件设计.34 4.1 主监控系统的设计.35 4.2 从机监控部分的软件设计.40 5 实验结果
12、分析实验结果分析.46 5.1 实验结果及分析.46 5.2 结论.47 5.3 系统的改进和完善.47 参考文献参考文献.49 山东科技大学硕士学位论文 目录 致谢词致谢词.51 山东科技大学硕士学位论文 目录 Contents 1 Introduction1 1.1 RESEARCH BACKGROUND AND RESEARCH STATUS.1 1.2 The Main Research Work4 2 Battery Status and Fault Detection method5 2.1 Overview5 2.2 Characteristics of VRLA Batteri
13、es5 2.3 Battery Voltage Detection Method7 2.4 Battery Internal Resistance Measurement Method10 3 The Hardware Design of Battery condition monitoring system16 3.1 System Overview.16 3.2 Realizatio of Voltage Measurement Menthod.17 3.3 Battery Internal Resistance Measurement Circuit.23 3.4 The Hardwar
14、e Design of Auxiliary Circuit.26 4 System Software Design34 4.1 Main Monitoring System Software Design.35 4.2 Slave Monitoring System Software Design.40 5 The Analysis of Experimental Results46 5.1 Experimental Results and Analysis.46 5.2 Conclusion.47 5.3 Improve and Perfect of The System 47 Refere
15、nces49 Acknowledgements.51 山东科技大学硕士学位论文Abstract 山东科技大学硕士学位论 1 绪论 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的研究背景及国内外研究现状课题的研究背景及国内外研究现状 1.1.1 课题的课题的研究背景研究背景 直流屏是直流电源操作系统的简称。通用名为智能免维护直流电源屏 ， 简称直流屏，通用型号为 GZDW，而直流屏就是用来供应这种直流电源的。 简单地说，直流屏就是提供稳定直流电源的设备。 （在输入有 380V 电源时直接 转化为 220V，在输入（市电和备用电）都无输入时，直接转化为蓄电池供电 直流 220V：实际上夜可以说是一种工业专用应
16、急电源） 。发电厂和变电站 中的电力操作电源现今采用的都是直流电源，它为控制负荷和动力负荷以及 直流事故照明负荷等提供电源，是当代电力系统控制、保护的基础。直流屏由 交配电单元、充电模块单元、降压硅链单元、直流馈电单元、配电监控单元、 监控模块单元及绝缘监测单元组成。主要应用于电力系统中小型发电厂、水电 站、各类变电站，和其他使用直流设备的用户（如石化、矿山、铁路等） ，适 用于开关分合闸及二次回路中的仪器、仪表、继电保护和故障照明等场合。 直流屏是一种全新的数字化控制、保护、管理、测量的新型直流系统。 监控主机部分高度集成化，采用单板结构（All in one） ，内含绝缘监察、电池 巡检、
17、接地选线、电池活化、硅链稳压、微机中央信号等功能。主机配置大液 晶触摸屏，各种运行状态和参数均以汉字显示，整体设计方便简洁，人机界面 友好，符合用户使用习惯。直流屏系统为远程检测和控制提供了强大的功能， 并具有遥控、遥调、遥测、遥信功能和远程通讯接口。通过远程通讯接口可在 远方获得直流电源系统 的运行参数，还可通过该接口设定和修改运行状态及 定值，满足电力自动化和电力系统无人值守变电站的要求；配有标准 RS232/485 串行接口和以太网接口，可方便纳入电站自动化系统。 直流屏主要由充电柜、充电模块、监控模块、电池组、降压硅链等模块组 成。本论文以直流屏蓄电池检测为题，针对直流屏中的相关内容进
18、行分析研究。 山东科技大学硕士学位论 1 绪论 2 蓄电池检测是直流屏监控系统的基础。1.1.2 课题国内外研究现状 传统的蓄电池检测技术发展至今，已有形成多种测量方法。大体分为：电 压测量法、核对放电法、蓄电池巡检法、内阻测量法。 1.蓄电池电压测量法 蓄电池的性能状态主要表现在容量和落后程度上，蓄电池性能可以在一定 程度上由电压反映出来，当电池放电放到一定限度后，其电压值会开始比较明 显下降，早期，在蓄电池维护中，由于测量仪器的匮乏，维护工作人员普遍采 用常见的万用表对蓄电池两端的电压进行测量，通过电压高低来判断蓄电池性 能的好坏，而仅通过测量蓄电池两端电压只能在一定范围内反映蓄电池的落后
19、 情况。在实际试验中，我们会很容易观察到，在浮充状态的下的坏电池和正常 状态的蓄电池没有太大的明显区别，即使是欠度放电状态下，单纯通过电压高 低也不能确定蓄电池性能的好坏。 2.核对放电法 蓄电池的放电试验主要有两种：一是带有实际负载的核对性放电试验，二 是利用电阻箱进行放电试验。由于传统电阻箱放电容量试验，蓄电池组需要脱 离系统，借助电阻箱对蓄电池组进行放电试验，大约数小时后，可以找出最落 后的几节电池，以落后电池到达终止电压时的放电时间与放电电流来估算其容 量，并以此容量作为整组蓄电池的容量。 传统的核对放电设备普遍采用电阻丝或者水阻进行核对放电，并且是人工 操作，程序繁琐，有一定的人身危
20、险，这种传统的核对放电试验方式正在逐步 被淘汰。目前，国内外普遍采用了新型的智能核对放电技术，该技术利用 PWM 控制原理，根据放电过程中蓄电池组放电时电压的变化，可以对放电假 负载进行实时调整，以使蓄电池组保持恒流放电。 核对放电法的的优点是容量测试准确、可靠，目前为止，仍然是检测电池 性能最可靠的方法，同时由于核对放电本身对电池起到一定的维护作用，所以， 核对放电是其他设备暂时还不能替代的。不过它的缺点也很突出，主要表现为： 核对放电时间长，风险大，在进行试验时，电池组要被隔离出来，并且电 山东科技大学硕士学位论 1 绪论 3 池组原来所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，这样浪费了电能又费
21、时费力， 并且增加了系统断电风险； 如果想要进行核对放电试验，那么就要具备一定条件。首先，在市电得 到基本保障的条件下进行放电；其次，机房必须有备用电池组，所以，核对放 电试验适合在具备一主一备电池组结构的机房进行。 目前，核对放电有一定的缺陷，它只能测试整组电池容量，而不能对单节 电池容量进行测量，测量结果以容量最低的一组作为整组容量，而其他部分电 池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。 当然，频繁地对蓄电池进行深放电，这样会使硫酸铅慢慢沉淀，从而导致 极板的硫酸化，电池落后，因此，不适宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。 所以，核对放电只能对蓄电池进行定期维护，无法满足日常
22、维护的需要。 3.在线快速容量测试法（电池巡检法） 在放电状态下，对蓄电池组中每个单体电池的端电压都要逐步进行检测， 以找出端电压之差最大的一只，将这块电池确认为落后电池，然后再利用核对 放电将该节电池核对放电，检测出其容量，该容量代表该组电池的容量。 目前，用在线快速测试法可以较快地判定电池组中部分或者个别落后或劣 化电池，但还不足以准确测定电池的好坏程度，包括电池的容量等指标，仅适 宜作为一个定性测试的参考。以前有厂家根据客户的需求特点，推出一系列在 线测试电池容量的设备与仪器，即在线监测仪或在线巡检仪，其宣传的重点是 容量测试不仅快速准确可靠，而且可以在线进行。这种技术研究的思路是值得
23、推广的，不过技术研究情况以及在各地基站进行的实地测试表明，除了少数情 况外，一般都达不到一个很理想的效果。原因是多方面的，其中有蓄电池的生 产制造工艺的原因，有蓄电池电化学特性的原因，有蓄电池的实际使用与维护 的原因，有实际测试条件的原因等。 这种方法的优点是操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池。不 过最大的缺点是测试的精度非常低，只能判定断电池的落后状态，而不能对电 池的好坏程度及电池容量进行测量。同时这种方法的测试要求高，如果要达到 一定的测试精度，则机房一般应满足包括放电因素在内的系列条件，而机房实 山东科技大学硕士学位论 1 绪论 4 际情况却各有差别，大多达不到相应的测试要求
24、，所以，测试情况还不是很理 想，尤其是容量测试准确度较低。 4.内阻（电导）测量法 内阻测量是指在蓄电池两端加交流电压信号，该交流电压信号的频率和振 幅已知，测量出与电压同相位的交流电流值，电池的内阻等于其交流电流分量 与交流电压的比值。内阻是频率的函数，内阻的大小与频率有很大的关系，不 同的测试频率有不同的内阻值，在低频率下，电池内阻与电池容量相关性很好， 一般测量频率在 30Hz 左右，根据不同容量的电池其测量频率一般会作相应调 整。电池的容量越小，电池内阻越大，电导值越小。 利用内阻法能够准确的查出完全失效的电池，根据大量的实验分析及研究 结果可以证明，当电池容量降低到 50以后，内阻就
25、会有较大变化，当降低到 40以后，会有明显变化，所以，根据电池内阻值或者电导值，可以在一定程 度上确定电池的性能，但是通过内阻值不能够判断电池的好坏程度。因此，采 用内阻法测试电池的内阻或电导是判定蓄电池好坏的一种有价值的参考思路， 但却不足以准确地测算出电池的实际性能指标，尤其是容量指标。 1.2 本论文的主要研究工作本论文的主要研究工作 总结了直流屏蓄电池检测的研究背景和国内外研究现状，系统阐述各种蓄 电池状态及其故障检测方法，对蓄电池内阻测量方法进行详尽的分析和研究。 设计一套蓄电池检测系统的硬件电路的实现方法及其软件设计的流程图，对实 验的结果进行了的比较分析，提出了蓄电池检测系统进一
26、步改进和完善的合理 化建议。 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 5 2 蓄电池状态及其故障检测方法蓄电池状态及其故障检测方法 2.1 概述概述 蓄电池又称二次电池，它不仅能将储备的化学能变为电能（这一过程成为 放电） ，而且当参加的物质以电阻的形式释放完毕之后，再用充电器对它输入 直流电能（这一过程成为充电） ，又可将已损耗的活性物质复活。因此蓄电池 可以进行多次充、放电循环。它可作为传动、保护、控制、通信等装置的独立 直流电源，并且在邮电、铁路、车辆、船舶、化工，国防等部门得到了广泛应 用。在电力系统中，蓄电池一直都是直流操作系统中必不可少的组成部分，而 且是
27、直流操作系统维护的重点和难点。电力系统中蓄电池直流系统为信号设备、 保护、自动装置、事故照明及断路器分、合闸操作提供直流电源，并在外部交 流电中断的情况下，保证继续提供可靠直流电源。蓄电池稳定、可靠、安全性 直接影响到电力系统的可靠性和安全性。近年来由于蓄电池问题造成的电力事 故比比皆是，因此加强对蓄电池稳定、可靠的保护和维护是保证电网正常运行 的关键。 在变电站的直流系统中，在正常状态下蓄电池会处于浮充电状态下，交流 部分负责提供直流负荷，可当在交流失电的情况下，蓄电池会被投入到电力系 统中负责系统直流的供应。 目前，本装置主要配合阀控密封式铅酸蓄电池（VRLA-Valve Regulare
28、d Leid Acid） 。 2.2 阀控式密封铅酸蓄电池特性阀控式密封铅酸蓄电池特性 蓄电池在直流屏系统中的主要功能是在交流失电的情况下，能够及时的向 二次电路提供直流电。在本系统中采用阀控式密封铅酸蓄电池，阀控式密封铅 酸蓄电池（VRLA）被称为“免维护电池“，近几年来在电力系统各个专业部门 中得到了广泛应用。 其主要特点是： 采用多元优质板珊合金，其气体释放的过电位得到了提高。普通蓄电池在 2.30V单体（25）以上时释放气体，阀控式密封铅酸蓄电池在 2.35V单 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 6 体（25）以上时释放气体，减少了气体的释放量。 阀控式
29、密封铅酸蓄电池的负极比正极多出 10的容量。在充电后期，由正 极释放出的氧气与负极接触并且发生反应，生成水，使负极由于氧气的作用处 于欠充电状态而不产生氢气。这种负极吸收正极的氧气，再进一步化合成水的 过程，叫做阴极吸收。 阀控式密封铅酸蓄电池采用了新型超细玻璃纤维隔板，相比于普通铅酸蓄 电池采用的微孔橡胶隔板，其孔率得到了提高，这样使氧气更容易流入到负极， 此外，超细玻璃纤维隔板具有将硫酸电解液吸附的功能。阀控式密封铅酸蓄电 池采用密封式阀控滤酸结构，能够防止酸雾逸出，能起到保护环境的作用。 但是，由于其本身材料和使用维护等方面的原因，经常会出现电池失效的现象， 有的甚至只能用 2 年，严重
30、降低了系统的可靠性。所以说加强对其使用要求和 维护方法的宣传，正确理解“免维护”的含义，对其应用的推广是非常重要的。 影响阀控式密封铅酸蓄电池使用寿命的主要因素是电池失水和热失控，下 面分别讨论它们的起因和预防措施： 电池失水及预防：阀控式密封铅酸蓄电池是在“贫液”状态下工作的，如果电 池处于“富液”状态，会阻塞隔板中 O2 的通道，这时，气体的复合效率低，电 池内压力增大，特别是在安全阀性能不良情况下，失水更加严重，甚至会导致 干涸。此外，如果浮充电压过高，也会引起失水。另外，如果使用环境温度增 高，而没有调整其浮充电压，也同样会增加失水量。所以说阀控铅酸蓄电池的 温度和环境温度的监测是十分
31、重要的，并且还必须对充电电压进行温度补偿， 以避免在高温下的过充和低温下的欠充。 热失控的产生与预防：如果充电电压和电流控制不当，在充电后期，会出 现一种临界状态，即热失控。此时，蓄电池的电流及温度发生积累性的相互增 强作用，使电池槽壳变形“鼓肚子”，这是比较严重的故障。 在正常浮充电压下，热失控是不可能产生的，只有人为操作和设备失控使 电压过高，或电池组中个别电池严重故障如短路、反极时才可能产生。因此， 正确选择浮充电压和定期检查每个电池的“健康情况”是非常重要的，如果使用 环境温度变化较大，应根据温度补偿加以校正。 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 7 通过
32、以上分析可知，充放电过程对蓄电池的寿命的影响很大。而现在的直流屏 系统在充放电过程中只是机械的按照规定好的充放电步骤不断重复，缺少综合 处理能力和实际的灵活性。而这正好可以由微机监控系统来弥补和完善。 2.3 蓄电池电压检测方法蓄电池电压检测方法 2.3.1 蓄电池的状态分类蓄电池的状态分类 蓄电池的状态主要包括：充电状态和“健康”状态，充电状态即电池实际 可以放出的容量， “健康”状态主要是对充电状态进行补充的状态，它可以说 明电池元件的老化程度和对电池寿命和性能的影响，以及现有的电池容量是否 能够在未来的一段时间内被可靠的放出。只有充满电的“健康”电池才能够保 证对负载的不间断供电，所以说
33、，通过对电池充电状态和“健康”状态的检测 可以预测出电池的故障，通过电池监控能够检测出电池充电状态和“健康”状 况，进一步确定电池在要求的时间范围内可以为负载可靠供电。电池监测的主 要内容是： 电池充电状态（电池容量）：检查并且确认电池组内的每只电池都处于满 充电状态。 电池“健康”状态：通过对一些运行参数的检测，间接的看出电池是否发 生故障。此外，为了防止电池在正常工作条件下有不好的工作条件施加给电池， 就要求在异常工作条件（例如高压下浮充，深度放电，温度过高等）出现的时 候，应该及时报警并且在严重的时候应该立即切断充电电流。 2.3.2 蓄电池的状态检测蓄电池的状态检测 1、电池充电状态（
34、电池容量）的检测 对于检测电池容量只有一种方法，就是进行放电试验（容量试验：按照对 电流恒流放电的国家相关规定，蓄电池容量=放电电流*时间） ，利用这种方法， 检查蓄电池在内的整个备用系统，可以检测出各个单体电池以及电池外部的各 种故障，这种方法是一种比较可靠的检测方法，但是不可以频繁的进行放电试 验，其原因是：这种方法费力费时间，并且有一定的危险性，放电试验容易加 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 8 速电池的老化，这样就减少了电池的寿命在放电试验过程中以及放电后再充电， 在电池紧急情况下不能为负载及时供电。 2、电池“健康”状况的检测 电池“健康”状况的检测
35、就是对单体电池故障的检测，通过检测蓄电池电 压和内阻可以很直观的看出电池的故障。 电池电压的测量 通过测量蓄电池的电压可以判断出蓄电池充、放电进程，浮充电压是否适 当，当前电压是否超出允许的极限值，并且可以估计出蓄电池剩余的容量，还 可以作为判断蓄电池组性能好坏的标准，可以说，对蓄电池电压的检测是非常 重要的。 目前，电池监控系统主要是通过对单个电池或者多个电池组合单元的电压 判断电池的故障。单个电池的电压是非常低的，但是串联后的电池组合可以获 得很高的电压。蓄电池组各个电池的端电压相对于地的电压变化范围是非常大 的，最低能低到 2V，最高能高到 240V，但是需要测量的电压范围相对来说是 比
36、较窄的，对于量程是从 2V 到 240V 的电压范围，那么需要能够准确测量 0.1V，那么其测量精度是 0.1/240=0.04%，如果需要在这么大的量程内获得这 么高的测量精度，那么器件的成本将很高，那么怎么样才能有效且低成本的实 现对蓄电池电压的在线检测成为了一个难题。对每一个电池都安装一个直流电 压隔离变送器是最直接的方法，但是，这种方法花费非常的大，并且有危险性。 由以上可得，若直接从蓄电池组中获取单个电池的电压是有很大难度的。如果 想获得蓄电池组中单个电池的电压，就要将单个电池从蓄电池组中隔离出来。 单片机有充足的 I/O 口其有很好的控制能力，在本系统中，采用继电器实现单 个电池的
37、隔离。 图 2. 1 示出了蓄电池组电压测量电路图，蓄电池组是有 30 节单节电池组 成的，每个单节电池的输出端接入两个继电器，当继电器 DL1-1、DL2-1 闭合， 那么第一个单节电池 B1 被接入电池放大电路，这时检测的是 B1 的电压，以 此类推，每个单节电池都都能被接入电池放大电路。电池放大电路的作用主要 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 9 是将单节电池的电压信号放大到一个适当的电平，以供测量。在电路图中， R1-1，R2-1R16-2 是保护电阻，防止继电器指控，起到保护设备的作用，一 般情况下，保护电阻的阻值比较大，并且应该与电池组的最大串联电压
38、相对应。 具体测量方法如下： B19 B29 B30 B18 B17 B16 B4 B5 B6 B7 B14 B15 B3 B2 B1 DL1-1R1-1 DL2-1R2-1 DL3-1R3-1 DL4-1R4-1 DL5-1R5-1 DL6-1R6-1 DL7-1R7-1 DL14-1R14-1 DL15-1R15-1 DL1-2R1-2 DL2-2R2-2 DL3-2R3-2 DL4-2R4-2 DL13-2R13-2 DL14-2R14-2 DL15-2R15-2 DL16-2R16-2 DL16-1R16-1 DM2-2 DM2-1 DM1-2 DM1-1 电池 放大 处理 电路 u1
39、 u2 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 B28 图 2. 1 蓄电池组电压测量电路图 Fig.2. 1 Battery Voltage Measurement Circuit 利用节点电压法得 U1、U2 点电压方程： （2.1） 1 1 2211 p j jFLuLiFu VGGVGGpGV （2.2） 1 1 12112 p j jFLuLiFu VGGVGGpGV 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 10 其中：是电池放大电路的电阻，是每一单节电池多对应的保护地电
40、阻与 F G i G 继电器导通电阻之和，是线路的电阻，为每一单节电池对地电位，在本 L G j V 系统中，共接入个电池，取=(-1)/2;p1pp 由 2.1 和 2.2 整理可得： LiF p j LFjjF uu GGpG UGUpGVVG UUUU 2 2 1 1 111212 121 1 （2.3） LiF LF GGpG UGUG U 2 2 1 11 1 其中： （2.4） 1 1 11121 p j j UpUU 由上述结果可知，在理想状态下，和等于 0，那么这,时检测误差为 0， F G L G 可见选用这种方法可以很好的减少电路测量的误差，与近似成正比关系， 1 Up 随
41、着 p 的增大而增大，那么误差也会随之增大，所以设计时要对电池进行 1 U 核实的分组，以减少测量误差。 2.4 蓄电池内阻测量方法蓄电池内阻测量方法 通过对大量蓄电池的故障的研究分析和运用表明，蓄电池内阻可作为衡量 其容量和完好性的有效指标。当蓄电池故障或在老化过程中时，其内阻值明显 变大，但是其电池电压的上升和内阻的增大不会同时发生。一般情况下，在内 阻开始增大的这一段很长的时间里，电池的浮充电压差不多是不会改变的。但 当其内阻值上升了 60%以上时，浮充电压才有明显的增大。因此对电池电压的 检测显得非常的滞后。电池内阻的测量是很必要的，它具有很好的预测性，蓄 电池的性能可以用它来评估和预
42、测。但是怎么能找到很好的方法去实现呢？经 过观察研究发现，当在整组电池放电时，我们可以通过各节电池电压的变化曲 线来初步判断每节电池内阻的相对大小，从而将下降速度比较慢的电池筛选出 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 11 来，进行单独测定，用软件的方法相对弥补电池电压检测的滞后。 蓄电池内部阻抗检测方法有两种：交流检测法和直流放电检测法。在采用 交流检测法时，根据直流对于交流的导通特性，首先给所测电池加上一个一定 频率的交流测试信号，在这需要注意的是，在该交流信号的频率的选择上，应 该确保在测量过程中不会受到电容的影响，然后通过测量流过电池的电流和电 池两端产生
43、的交流电压降，从而根据得到的数据计算得出电池的内阻值。但这 种检测方法看干扰能力特别差，很容易受纹波和噪声影响，因此在线实践起来 会有很大难度。在采用直流检测法时，要先在电池组的两端接上放电的负载， 然后通过负载对蓄电池进行大电流瞬时放电，测量电池在放电过程中端电压的 瞬时变化和瞬时放电电流值可以得出阻抗值。但这个方法无法在线实现。 蓄电池的内阻是体现电池性能的重要参数之一1，且与蓄电池的容量以及 健康状态关系密切2。因此，通过对内阻变化的测量来实现蓄电池的在线监测 是目前公认的无损维护的最佳方案之一3。 2.4.1 蓄电池内阻结构蓄电池内阻结构 蓄电池内阻包括欧姆电阻、极化电阻两部分。图 2
44、. 2 和图 2. 3 分别为铅酸 蓄电池的简化模型和等效电路模型。 电电池池电电压压 R R极极柱柱 R R汇汇流流排排 R R板板栅栅 R R板板栅栅- -涂涂膏膏 涂涂膏膏 隔隔膜膜 电电解解液液 金金属属通通路路 化化学学通通路路 图 2. 2 蓄电池简化模型 Fig.2. 2 Simplified Model of Storage Battery 山东科技大学硕士学位论文 第 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 12 t R st R p R se R e R i RL 0 C 图 2. 3 蓄电池的等效电路模型 Fig.2. 3 Equivalent Circuit Model o
45、f Storage Battery 图 2. 3 中，为极柱电阻，为汇流电阻，为极板电阻，为隔膜电 t R st R p R se R 阻，为电解质电阻，为内部的链接电阻。它们所占比例分别是：、 e R i R12% 、，极板与其间介电物质构成了电容。由于目25%40%1%15%7% 0 C 前使用蓄电池设备的频率较低，电感 L 可忽略不计4。当蓄电池工作时，它的 内部电流传导路径有两种：金属路径和电化学路径。R 极柱、R 汇流排、R 板 栅、R 板栅与涂膏之间的电阻构成了金属路径，此部分的电阻符合欧姆定律关 系，因此称为欧姆电阻，也称金属电阻，符号为。虽然存在发热和功耗， m R m R 但
46、在较短时间内可视为常量，其阻值可以反映蓄电池容量。电化学路径由 R 极 板、R 电解质和 R 隔膜的电阻构成，这部分的电阻不符合欧姆定律，称为极化 电阻，符号为。在不同时期的阻值不同，因而不能反映蓄电池容量，但 c R c R 它对精确测量蓄电池内阻产生影响。 综上所述，将图 2. 3 简化为图 2. 45： m R c R 0 C 图 2. 4 蓄电池等效模型的简化电路 Fig.2. 4 A Simplified Equivalent Circuit Model of Storage Battery 利用此简化模型，可得到其对直流电流信号（以充电为例）的响应5： 山东科技大学硕士学位论文 第
47、 2 章 蓄电池状态极其故障检测方法 13 （2.1）() mc VEI RR 2.4.2 蓄电池内阻等效原理蓄电池内阻等效原理 由于蓄电池存在内阻，不管蓄电池内部结构如何，等效电路怎样，都可等 效蓄电池阻抗为阻抗 Z。由交流阻抗定义，得到阻抗相量表达形式如下： （2.2） |j U ZZRX I 式中，R 为电阻，X 为电抗。 阻抗模： （2.3） U Z I U 为交流信号电压；I 为电流幅值，即最大值。 阻抗角： （2.4） ui 电池内部纯电阻，电抗（包括容抗和感抗）的总和为蓄电池的内阻。所RX 以，单纯的测量或者都是片面的，只有测量阻抗模才是准确的。RXZ 2.4.3 内阻测量方案选择内阻测量方案选择 直流放电法与交流注入法是测量蓄电池内阻的两种最典型的方法。 2.3.3.1 直流放电法 其示意图如图 2. 5 所示。直流放电法是由蓄电池向内阻监测仪的负载瞬间