通信电源监控系统中蓄电池监控模块的设计

　　1 引言

　　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 蓄电池监控单元的整体实现方案

　　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。

　　图1 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FLASHROM，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 蓄电池剩余容量的在线检测

　　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。

　　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。

　　图4 300Hz信号发生电路