Mastervolt蓄电池监控模块的设计

1 说明

     在本地用通信电源监控系统中，蓄电池监控模块是一个相对独立的单元，拥有自己的处理器单元和数据采集单元。因此，它既能作为本地用通信电源监控系统的一部分使用，同时加以简单扩展就可以成为单独使用的蓄电池在线检测仪。本文详细介绍了一套具有两级集散式系统结构的本地用通信电源集中监控系统中蓄电池监控模块的设计。

2 Mastervolt蓄电池监控单元的整体实现方案

     Mastervolt蓄电池监控一直是国内外研究的热点和难点问题，在本系统中，蓄电池监控单元主要完成以下几方面的功能：剩余容量的在线检测、均/浮充方式转换、单体端电压测试及落后电池检出、电池体温度测试等等 。其总体实现如图1所示。

     Mastervolt蓄电池监控单元的整体硬件结构
     处理器模块是蓄电池监控单元的核心，在这里我们采用了ATMEL公司最新的RISC高性能单片机AT90S8515及大容量8KB的FLASH ROM，不但保证了对大量数据进行高速分析处理，而且实现了对数据的保存查询。
在数据采集模块中，由于蓄电池监控单元中需要处理的数据对精度均有特殊的要求，（比如对蓄电池内阻的测量通常为mΩ级，且必须有足够的位数），同时由于蓄电池内阻、电压均为缓慢变化的低时变信号，因此我们采用了16位的Σ-Δ型A/D转换器AD7715，它具有自动校零、量程自动校准的功能，从而可以保证很高的测量精度，而且具有SPI接口，可以方便的与单片机接口。
蓄电池监控单元中设有RS485的通信接口，与前端机主处理器之间以通信的形势交换数据。因此在本系统中蓄电池监控模块实际是作为一个智能设备与主监控模块联系的。下面分别对内阻检测模块、单体电压测试模块、单体温度测试模块进行详细的介绍。由于电流测试模块与主处理单元的直流数据采集与处理类似，在此不再赘述。

3 Mastervolt蓄电池剩余容量的在线检测

     Mastervolt蓄电池的剩余容量是用户最为关心的一个问题，它与整个供电系统的可靠性密切相关，蓄电池剩余电量越高，则系统可靠性越高，否则反之。因此如何能够在既不消耗蓄电池能量又不影响用电设备的正常工作的情况下，实时的在线监测蓄电池的剩余电量，将有重要的实际意义。
     Mastervolt蓄电池是个复杂的电化学系统，它在不同负载条件下运行时，蓄电池实际可供释放的电量也不同。随着蓄电池使用时间的增加，其实际可释放的电量也将下降。过去，常依据蓄电池的端电压来判断蓄电池的好坏和其剩余电量的多少，但该方法有很大的局限性。随着电池老化，其端电压变化不明显。因此，利用端电压的变化来推算其剩余电量有一定困难，误差较大。

3.1 几种常用的剩余电量预测方法

目前预测蓄电池剩余电量的方案最有代表性的有如下几种 ：
（1）密度法：蓄电池剩余电量和其内部电解液密度密切相关，电解液密度由硫酸铅、氧化铅和铅三者决定。通过测量电解液的密度值，即可间接推算其剩余电量。但在电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例跟电池制造时的配制比例发生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。同时由于目前的通信电源系统中大多采用的是阀控式铅酸蓄电池，这一方法难以应用。
（2）开路电压法：上面已提到，蓄电池的荷电程度跟蓄电池电解液密度密切相关，而 N.RST方程描述了电解液与电池电动势的关系。因此，通过测量蓄电池的开路电压，就可以推算出蓄电池的剩余电量。其缺点在于随着电池老化、剩余电量下降时，开路电压变化不明显，因此也就无法准确预测剩余电量。另外开路电压是电池无载时的稳态电压，因此只能在电池静置时方可测量，不适合实时在线测量。
（3）定时放电法：通过对蓄电池施加一负载，计算单位时间内的电池端电压变化率，根据变化率的大小推算剩余电量，变化量小意味着剩余电量大，否则反之。为了实现在线测量，缩短测量时间，需要对蓄电池大电流放电，而大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤，严重影响电池的使用寿命。
（4）内阻法：研究表明，电池的内阻与荷电程度之间有较高的相关性，美国GNB公司曾对容量由200~1000安.时，电池组电压由18~360V的近五百个VRLA电池进行了测试，实验结果表明，内阻与电池容量的相关性非常好，相关系数可以达到88%。因此，通过测量电池内阻可较准确地预测其剩余电量。蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差2~4倍左右。随着电池充电过程的进行，内阻逐步减小；随着放电过程的进行，内阻逐步增大。另外，随着电池老化，其内阻也逐渐增大，其剩余电量也随之下降。蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线如图2所示。

 

图2 蓄电池内阻与剩余电量的关系曲线
由于蓄电池完全充电和完全放电时内阻变化率比电池端电压变化率（端电压变化率约为30%~40%）要大得多，故用测量蓄电池内阻来预测其剩余电量，要比开路电压法精确得多。内阻法的优点在于对在线使用的蓄电池来说，此方法对系统影响最小，并可在电池的整个使用期内精确测量。
通过以上几种测量方法的介绍及比较，不难看出内阻法最适合于密封蓄电池剩余电量的在线测量，因此，本系统采用了内阻法测量剩余容量。

3.2 内阻法预测剩余电量的实施方案

内阻法预测剩余电量的具体实施方法是：首先将蓄电池充满电（以2V蓄电池为例，充电至2.35V，浮冲电流至10mA），然后以0.1C的放电率对电池放电，记录下放电过程中内阻与电量的大小。当蓄电池放电完毕后（2V蓄电池放电至1.75V）即可获得完整的放电曲线，即剩余电量与蓄电池内阻之间的关系。将此曲线存入EPROM中，在以后测试同型号同规格的电池时，单片机根据在线测到的电池内阻值，通过查表计算，得出其剩余电量值。因此，此种方法的关键在于如何在线测得蓄电池的内阻，其测量原理如下：在蓄电池两端施加一恒定的交流音频电流源Is，然后检测电池端电压Vo以及Is和Vo两者之间的夹角 θ。显然三者之间的关系为
，以及 ，R即为我们所要获取的电池内阻值。其具体实现方案如图3所示：

图3　内阻法预测剩余电量的实现
其中300Hz信号发生电路由14位二进制串行计数/分频器CD4060以及低通滤波电路组成，具体电路如图4所示。恒流功放部分采用功率可达4W的音频功率放大器，具体的使用可参见文献[3]。
图4　300Hz信号发生电路
4 蓄电池单体电压的测量

《通信电源与空调集中监控系统的技术要求》中规定蓄电池检测装置必须测量每只蓄电池的单体电压。由于蓄电池串联起来为通信设备供电，每只蓄电池对地的电位都不相同，其最高的共模电压可达60V，对于一般的多路模拟开关、A/D转换器来说，难以承受。因此，要对其进行测试，首先必须对浮地信号做共地处理或采取隔离措施。传统的比较成熟的测试方法是用继电器和大的电解电容做隔离处理，基本原理如图5 所示。

图5　传统的单体电压测试方法
其基本的测试原理是：首先将继电器闭合到A区，对电解电容充电；等到需要测该蓄电池的电压时，把继电器闭合到B区，将电解电容和蓄电池隔离开来，由于电解电容保持有该蓄电池的电压信号，因此，测试部分只需测电解电容上的电压，即可得到相应的蓄电池电压。这种方法无需采用线性光隔离等比较昂贵的器件，具有原理简单、造价低的优点。但是由于继电器存在着机械动作慢，使用寿命低等缺陷，实践证明，根据这一原理实现的检测装置在速度、使用寿命、工作的可靠性方面都难以令人满意。
4.1 硬件直接相减的方法的实现

硬件直接相减法的思想来源于数学上减法的概念。试想，如果用高差模增益的运放将蓄电池上的高电位按比例压缩，即：首先将n号蓄电池的高端电位按照Rn1/Rn2的比例压缩至模拟电子开关可以承受的程度，测量得到压缩后的电压值，然后由软件将压缩系数乘回去，即可得到n号蓄电池的高端电位,同理可得到第n号蓄电池的低端电位，然后通过软件将两者相减，即可得到第n号蓄电池的单体电压。从理论上分析这种方法是可行的，但在实际中却难以实现。比如，40V的电位，通过测试精度为0.1%的测试系统，其绝对误差为±40mv，而38V的电位，通过同样测试精度的系统，其绝对误差为±38mv，两者之间的绝对误差累积为±78mv，显然，其相对误差可达到8%，这远远难以达到通信电源监控系统中的要求。因此，这种减法器的方法在工程上是不可能实现的，但其思想却十分具有参考价值：如果能够解决误差的连续累积问题，就有可能得到满意精度的测量结果。为此我们用两片高差模增益放大器设计了一种硬件直接相减的电路，其原理电路如图6所示。

图6　采用硬件直接相减法测量单体电压的电路
图6中，ICL7650是差模增益高达105/mV的运算放大器，从而能够保证运算放大器的同相输入端和反相输入端的电位相等，都等于地电位。Rnp为保证运算放大器工作的平衡电阻。Vna为n号蓄电池的高端电位，Vnb为n号蓄电池的低端电位。
其基本原理如下：运算放大器A构成了一个反向放大器，即：
（1）

运算放大器B构成一个加法器，即：
（2）
由式（2）可以看出，只要合理的选择Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的阻值，使其满足条件：

，即 （3）
则式（2）可以化为：
（4）

从而实现了硬件的直接相减，避免了误差的累积。

4.2 元件参数的选择

通信用蓄电池通常由24节单体电压为2V的蓄电池组构成。其最高的共模电压可达60V左右，要将其移到2V左右的对地电压，并保证运算放大器的工作安全性。因此
的值选择在25~35之间比较合适，考虑到电阻的热稳定性等其他因素，在这里我们选择Rn2、Rn3的电阻值为1.5kΩ,Rn1、Rn4和Rn5选择为50kΩ,同时由于在这个数量级的电阻难以保证较高的精度，因此应加入5kΩ的电位计加以调整。

5 蓄电池单体温度的测量

蓄电池体的温度是VRLA蓄电池的重要标志参数，对于蓄电池的剩余容量、工作寿命都有着重要的影响。蓄电池体温度的测量我们采用了Dallas公司的数字式温度传感器DS1620，它具有测温范围宽、读数稳定、与单片机接口方便等优点，其测温分辨率可达到0.50C,如果经过软件调整，还可以达到更高的精度0.10C，对于蓄电池单体电池温度的测量来说，十分适用。DS1620的结构及其测温原理可参考文献[6]，在此不再作具体的详述。下文仅对软件实现0.10C精度的方法加以说明。

5.1 测温原理的进一步分析

要获得较高的测温方案，除了需要知道由DS1620直接读取的温度值以外，还必须知道该温度下计数器的值和该温度下每增加10C的计数值，后者可以从非线性累加器读入。非线性累加器电路用以补偿温度振荡器的非线性作用，它有助于获得较高的测温精度。
用单片机控制DS1620，将经过修正的温度直接读取值转换为十进制数（以0.50C为单位），记为temp_read。同时，读取计数门关闭后保存在计数器中的值，记为count_remain.然后读取非线性累加器中的值，作为该温度下每摄氏度的计数值，记为count_per_c。以上几个参数确定以后，可以用下式计算得到精度为0.10C的实际温度T，即：
（5）


5.2 软件方法实现0.10C的测温分辨率

根据以上的分析，通过软件编程，即可用单片机控制DS1620实现0.10C的测温分辨率，其软件流程图如图7所示。

图7　实现0.10C的测温分辨率程序流程
其具体的实现过程如下：
（1） 发送“写配置”指令初始化DS1620，将其设置为单次温度转换方式以及处理器控制状态，指令为0CH、03H；
（2） 发“开始转化”指令（EEH）；
（3） 发“读配置”指令，读取状态寄存器数据。重复该指令直到DONE位为“1”，这意味着温度转换已经完成；
（4） 发“读取温度”指令，从温度寄存器读取数据并转换为整数temp_read；
（5） 发“读计数器”指令，从计数器读取9比特值，即count_remain；
（6） 将非线性累加器中的值读入计数器，此时外部单元与DS1620无数据交换；
（7） 重发“读计数器”指令，读取此时计数器的值，即count_per_c；
（8） 由公式（5-10）计算得到精确的温度值。

6 实验结果

在以下实验结果中，各种电量的测试采用的标准源及检定装置为ST-9020电能表现场检测仪（0.01）级；测试用蓄电池为南都公司的GFM200，并将其在额定负载情况下以0.1C的放电率恒流放电所得到的容量作为标准容量；测试环境温度均为240C。蓄电池剩余容量测试结果如表1所示；蓄电池单体电压测试结果如表2所示。
表1　蓄电池剩余容量测试结果表2　蓄电池单体电压测试结果
从以上的测试结果可以看出系统具有较高的测量精度，完全可以满足《通信电源和空调集中监控系统技术要求》中的规定。从而证明了本文所提出的本地用通信电源集中监控系统中蓄电池监控模块设计方案的可行性，具有工程实用价值。