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　　 一、基于数字滤波器的内阻测量技术 　　在线测量每个单电池的内阻是检测装置的难题之一，测量准确度直接关系到分析的准确度。在线测量需要解决充电机和用电负载干扰的问题。对于大容量电池，电池内阻是微欧级小信号，本文中采用了数字滤波技术提高测量准确度。 　　在线测量主要存在以下因素影响测量： 　　1）测量线耦合的高频干扰信号； 　　2）50Hz工频干扰； 　　3）充电机低频纹波； 　　4）充电或放电的电压缓变； 　　5）负载的不规则变动。 　　对于高频干扰，一方面通过硬件低通滤波削减，另一方面，在有效的A/D采样频率下进行平滑滤波处理。有效信号组成如图1-1所示。 图1-1 　　本文的研究中设计了专用的激励装置，向电池组馈入受控交流信号，测量电路采集被测电池的交流电压信号。为消除上述影响因素，采用了IIR数字滤波技术。 　　采用直接方式即可实现差分方程运算。图1-2是采用椭圆滤波器设计的带通滤波器，M=N=11，具有良好的下降斜率，在通带和阻带内均为等纹波。 　　表1是量程为50mΩ的实测数据，表明该方法具有良好的线性和重复性。 表1 采用IIR滤波器的实测数据（mΩ） 　　 二、监测装置与充电机互动设计方案 　　监测装置与充电机互动方案是提高劣化程度预测准确性的创造性工作模式，其基本结构如图2-1所示。 互动方案的监测系统结构 　　浮充状态下的测量理论和方法有其固有的局限性，放电测试能得到更为可靠的数据，但目前的放电测试或者需要人工干预，或者在不确定的停电发生后被动进行，前者难于经常性的进行，而且风险较大，后者的不确定性也带来隐患。本文的互动方案是针对先进电源装置的系统化设计方案，能有效解决前述的多方面问题。 　　互动方案的主要原理是：电池监测（Battery Monitoring Unit--BMU）进行日常的巡检，并且分析采集的数据及变化趋势，在一定条件下请求充电机（Rectifier Unit--RU）配合进行部分放电测试。由于RU在部分放电时设置为一个比蓄电池放电下限电压低的某一整流输出值，既能使电池提供用电设备的负荷功率，又避免了放电过程中由于电池问题带来的停机风险。 　　在正常浮充状态下，BMU连续检测电池组的电压和内阻，若发现电压或内阻异常，则启动部分放电测试过程，进行更深一层次的测试。该测试过程也被设置为按一定周期启动，如一个月。 　　在放电测试期间，将劣化程度预测模型所需的放电数据，采集包括浮充电压、初始跌落、正常放电电压等数据，通过电池的劣化程度（SOH）预测模型运算，准确得知SOH。 　　此外，互动方案并不排斥停电后的被动测试，被动放电也可以触发进行预测计算，出现放电即触发数据采集，在放电深度达到某个设定值时启动一次预测运算。 　　这样，在内阻监测的基础上，监测系统通过采用三类不同深度的放电测试达到长期连续准确检测SOH的目的： 　　1）完全放电 电池在投运之前应进行一次100%深度的放电，以确认该电池组能满足设计要求。否则，若存在产品本身的质量问题，会影响到后续监测数据处理的准确性，放电前应该充满并在浮充状态保持一定的时间。 　　2）中等深度的放电 中等深度指30—50%深度的放电。检测装置的数据处理方法根据此深度的放电数据可以相当准确地计算各电池的SOH，同时亦避免了更加深度放电过程的突然停电，使设备承受断电的危险，一般的电池配置往往考虑了电池容量的裕量，比如一倍。因此中等深度的放电在一般情况下，包括一般性的停电故障发生情况下是安全的 。 　　3）周期性的短时放电 根据蓄电池应用场合选取适合的周期，例如3个月。一般短时放电的深度为5%左右，检测装置启动FNN运算，预测电池的SOH。因为是预测，其可靠程度在目前仍处在研究中。这也包括FNN算法中所使用的输入数据是否对所有 的电池失效情况均敏感。在FNN运算中，还存在算法的“保守性”一面，即宁可低估SOH，也放弃高估SOH所带来的风险。 　　因此，互动方案在长期运行方式如图2-2所示，一般为多次短时放电测试后加入一次中等深度放电，或者在短时放电测试结果发现电池可能严重劣化时进行一次中等放电予以确认。如果被确认预测结果正确，则通知控制中心；若证明预测有误，则对预测模型作自适应调整。在最后一次中等深度放电确定电池劣化严重后，采取更换措施，更换之前进行一次完全放电，本组数据对于SOH模型的完善有重要意义。 图2-2 互动方案的监测过程 　　 三、监测装置的模块化设计 　　3.1监测装置设计要求 　　如图3-1所示，装置由控制模块、检测模块、内阻模块、相关软件和辅助部件构成，一个控制模块可接入多个检测模块，完成对不同只数和不同电压规格的蓄电池组的监测管理，可同时管理多组蓄电池。 图3-1 监测装置硬件结构 　 　3.2检测模块设计 　　检测模块主要包括5个部分： 　　1）电压、电流、温度的测量电路； 　　2）通道切换； 　　3）A/D转换电路； 　　4）微处理器单元； 　　5）通讯接口。 　　检测模块完成数据采集，并将数据传给控制模块。高精度、高时效的数据采集模块采用模块化设计方案，兼顾了专用化与通用化原则，配置灵活，根据采样点种类及规模的需求，各个模块可单独使用，亦可自由组合，能适应不同的监测场合。 　　电池组是由多个单电池串联构成的，一般的配置情况如表3-1所示。 　　电池的串联给采样电路的设计带来困难，目前的主要解决方法有以下几种： 　　1）继电器切换 由于机械触点的寿命和可靠性问题，不能使用在需要快速巡检的场合。 　　2）分段采样 将电池组分段，使得每段的电压降低，使用常规的巡检电路。由于每段之间需要隔离，带来成本的提高。而且，如果发生电池开路，加在某一段的电压仍然可能很高，同时还存在现场接线顺序出错时可能损坏电路。 　　3）电阻分压 在许多的设计中都使用了电阻分压方法，由于可以为每一通道设定标定系数，在一定程度上可以修正因电阻匹配精度不够所带来的共模误差。该方法的长期稳定性受电阻的稳定性制约，在高共模下很难达到需要的准确度。BB公司INA117高共模运算放大器电阻的匹配达到0.005%、温度系数为1ppm时共模抑制比为86dB，在400V共模范围的检测误差达到20mV，对于2V的VRLA电池，浮充电压的检测准确度应该达到10mV或更优。显然，在现实中很难用分压方法获得如此高的准确度。 　　4）耐高压电子开关 本课题中使用耐高压电子开关解决巡检的困难。PhotoMOS是一种新型光耦合的耐高压电子开关，它与普通的光耦相似，但输出端为场效应管，克服了晶体管的管压降问题，适合本文所要求的高耐压、高精度、高速的要求。 　　高共模采样电路原理如图3-2所示，在A/D和CPU之间采用光耦合方式进行电气隔离。 图3-2 高共模采样电路 　　 3.3内阻模块设计 　　内阻模块与系统的分布式结构相适应，接受检测模块的调度。用于向电池组注入内阻测量的激励信号。 　　内阻模块的设计主要研究解决以下4方面问题： 　　1）受控 波形和频率受采样模块CPU控制，可以工作在设计范围内的任意频率点和不同波形。 　　2）稳定性和准确性  要保持长期工作的时间稳定性和温度稳定性，模块之间可以互换。 　　3）独立性 激励信号不受电池充放电回路的影响。 　　4）工作范围宽 能够在电池组的最低放电下限和最高充电上限范围内正常工作。 　　以上要求主要体现在硬件电路设计中。 　　 3.4控制模块设计 　　控制模块用于数据传输、处理和人机界面操作，具有远程（集中）管理RS-485（RS-232）接口、检测模块控制口、操作键盘、显示面板、声光报警及报警输出接点。控制单元实时显示电池数据，智能分析数据，对异常的电池运行情况进行及时报警。通过总线结构控制检测模块工作，收集检测模块采集的数据。本单元对发生的事件进行判断处理并发出声光报警，完成数据的通讯、存储和查询功能，这些功能供运行人员进行现场事件处理使用。 　　 四、监测装置应用 　　在本文的研究过程中，监测装置在电信48V直流系统、电力220V直流系统和石油化工400V不间断电源系统3种典型的阀控铅酸蓄电池应用场合得到实际应用，验证了技术方案的合理性。 　　以电信局站直流系统为例，电池应用有以下特点：       　　1、48V系统，每组由24只2V单体电池串联，一般2组电池。 　　2、大容量电池，摆放合理，运行环境较好。 　　3、难于进行周期性容量核对放电。 　　4、一般有备用油机，停电后一段时间即启动油机，电池容量下降的问题更难及时发现。 　　5、电池数据可通过动力环境集中监控系统传送至中央控制室。 　　电池监测采用了1个控制模块带2个采样模块和2个内阻模块，该系统接入动力环境集中监控系统，与中心控制室联网。 　　根据阀控铅酸电池的一般使用情况和监测管理的目的，监测装置的设计主要考虑以下几个方面： 　　1）浮充电压测量 电池的运行参数主要受充电机的控制，尤其是电池的浮充电压，直接影响电池的浮充使用寿命。浮充电压的相对差异很小，要求测量电路具有高准确度；电池组串联后的高电压要求电路具有抗高共模性能。 　　2）电流监测  检测电池充电，放电，电流值。 　　3）环境温度（或标样电池温度）监测。 　　4）内阻测量  在线测量每个单电池的内阻值。 　　5）模块结构 系统要满足蓄电池应用的大部分应用场合，包括电信、电力、UPS等不同电池配置的应用。可以根据电池的不同数量、不同规格和不同的摆放形式来灵活配置，便于现场安装与维护。 　　6）网络化设计，网络化和信息化是电子设备的发展趋势，系统设计要有通讯接口和多种网络方案。要适于远程管理和集中监控。 　　7）可靠性 检测装置应用于对可靠性要求很高的场合，要求装置长期稳定工作。 　　8）电磁兼容 检测装置应对用户设备不能产生任何附加干扰，保证用户设备同监测系统共同长期稳定工作。同时还要求装置具有较强的抗干扰能力，在大功率电源装置投切时保持稳定。

　　 1引言 　　尽管今天铅酸蓄电池在结构设计与使用原材料方面比过去有了很大的改进，性能有了相当大的提高，许多设计和用料精良的免维护铅酸蓄电池浮充使用的理论寿命为15～20年以上，但真正能在使用中达到如此寿命的电池恐怕是少之又少。拿汽车与摩托车广泛使用的干荷电少维护起动用铅酸蓄电池来说，设计使用寿命为4～5年以上，通过调查发现，很少能达到以上水平，大部份几个月至一年就夭折了，究其原因，我们认为有以下几点： 　　1）充电设备的设计不够完善，使用也不方便。 　　2）铅酸蓄电池放电后得不到及时的补充充电，特别是过放电对电池造成致命之伤。 　　3）少数厂家的产品质量低劣，以次充好。 　　以上原因，我们认为2）、3）从技术上讲是比较容易预防和做好的，唯1）牵涉比较难以解决的技术问题，下面着重谈谈这方面存在的问题。 　　 2蓄电池的充电技术要求 　　厂家提供的铅酸蓄电池保证使用寿命的技术指标是在环境温度为25℃下给出的。由于单体铅酸蓄电池电压具有温度每上升1℃下降约4mv的特性，那么一个由6个单体电池串联组成的12V蓄电池，25℃时的浮充电压为13.5V；当环境温度降为0℃时，浮充电压应为14.1V；当环境温度升至40℃时，浮充电压应为13.14V。同时铅酸蓄电池还有一个特性，当环境温度一定，充电电压比要求的电压高100mv，充电电流将增大数倍，因此，将导致电池的热失控和过充损坏。当充电电压比要求电压低100mv时，又将使电池充电不足，也会导致电池损坏。另外铅酸蓄电池的容量也和温度有关，大约是温度每降低1℃，容量将下降1％，所以厂家要求铅酸蓄电池的使用者在夏天电池放出额定容量的50％后，冬天放出25％后就应及时充电。 　　显然，日常使用中的铅酸蓄电池不可能长期处在25℃的环境中，一日中尚有早、中、晚的温差变化，更何况一年中还有春、夏、秋、冬四季更大的温差，因此目前市面上普遍使用的各种晶闸管整流型、变压器降压整流型、以及一般的开关稳压电源型的铅酸蓄电池充电器，以恒压或恒流方式对电池进行的充电，是无法达到铅酸蓄电池补充充电所需要满足的严格技术要求的。纵观过去所采用的这些对铅酸蓄电池充电的方法，以及根据这些方法开发的铅酸蓄电池充电器，我们不难看出，其技术是不够完善的，用这些产品给铅酸蓄电池充电，势必直接影响铅酸蓄电池的使用寿命，同时这些充电器还存在着工作电压适应范围窄、体积大、效率低、安全系数差等问题。 图1自然平衡充电原理简示图 　 　3自然平衡充电器 　　针对以上铅酸蓄电池充电存在的普遍问题，长沙宇恒电子有限公司对铅酸蓄电池充电器进行了长时间的深入研究，以自己独特的方法和巧妙的设计，生产出新的充电器系列产品，解决了铅酸蓄电池充电存在的复杂技术问题，通过多年实验证实，大大提高了铅酸蓄电池的使用寿命。（该技术已申请专利） 　　现在简要介绍一下蓄电池充电新法——自然平衡充电法。 何为蓄电池充电的自然平衡法？请看图1所示蓄电池充电的连接简图。 　　图1中有二个电源EA、EB，当电源EA与电源EB处在同一环境温度下，正极和正极相连接，负极与负极相连接，在它们所形成的闭合电路中，存在着如下的关系，如果EA高出EB，EA将向EB提供EA－EB=ΔE的电压，同时将按ΔE的大小，提供一Δi电流向电源EB流通和灌注，当EB吸收EA提供的Δi电流，使EB上升到完全等于EA时（在蓄电池中表现为，蓄电池端电压的上升和电荷存储量的增加），电源EA将停止向电源EB提供电流，也就是EA=EB，ΔE=0，Δi=0。 　　在上面描述中，我们把EB换成被充电的蓄电池，算出在不同放电深度与环境温度下，蓄电池对应的电压。将EA精心设计成不同环境温度下，能按蓄电池充电平衡需要，自动调节输出电压和电流的电源，与之对应连接。完全理想化的情况下，电源EA能根据蓄电池在任一环境温度下，能够接受的电流，对电池进行充电，电池充足电后，ΔE=0，Δi=0，EA电源将不再消耗功率，此后，EA只随环境温度的变化，对被充蓄电池提供跟踪平衡补偿，由于蓄电池充电的整个过程完全是自动完成的，所以我们称之为自然平衡法。 　　此方法完全理想化的情况是：蓄电池在充足电后，EA与被充电的蓄电池EB之间的电压差ΔE=0，自然也就Δi=0，由于EA无功率供给蓄电池（EB），所以蓄电池电解液不可能产生沸腾，也不可能使蓄电池内电解液中的水分解，更不可能使蓄电池内的压力和温度升高，产生安全隐患。因此，该方法提供给蓄电池的是既不会使蓄电池过充电，也不会使蓄电池充电不足，而是更方便，更安全，更可靠的充电。 　　从上面的分析中，我们不难看出，该方法特别适合免维护与少维护铅酸蓄电池的维护性充电，更能适应那些间歇性放电使用的蓄电池日常维护充电，有利于提高蓄电池日常使用中的可靠性，提高蓄电池的使用寿命。 　　最后介绍一下按自然平衡充电法研制的一款适用于摩托车12V铅酸蓄电池用智能充电器的主要技术指标： 　　1）可充电池12V4～10Ah； 　　2）适应输入电源为交流100～240V，直流120～370V； 　　3）重量≤100g；体积60mm×35mm×30mm； 　　4）适用环境温度－10～45℃。 　 　4结语 　　影响铅酸蓄电池使用寿命的原因不外乎两个方面： 　　1）铅酸蓄电池在环境温度变化时对其充电设备有苛刻要求。由于过去的充电设备在设计上的缺陷，因此影响了蓄电池的正常使用寿命。 　　2）铅酸蓄电池放电后，由于过去充电设备的使用不方便，致使用户不能及时给电池补充电，其造成的伤害是使电池的寿命大为缩短。

　　 发展与现状            化学电源是人类目前可以利用的高效能源之一。蓄电池也称作二次电源，它是一种把化学反应所释放出来的能量直接转变成直流电能的装置。蓄电池按照其电解液的不同，通常分为酸性电池和碱性电池。近几十年来，由于交通、通讯、计算机产业的高速发展，其产品系列、产品种类、产品性能发生了巨大变化，以此满足不同用途的需要。目前，蓄电池主要应用于各种车辆、船舶、飞机等内燃机的起动以及照明、蓄能、不间断电源、移动通讯、便携式电动工具、电动玩具当中。 　　总之, 蓄电池在国防、工农业生产、交通运输、电力、电子、通讯、教学、科研、医疗卫生以及人们日常生活中被广泛应用。 常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池等。 　　 常用蓄电池介绍 　　        A．铅酸蓄电池负极为铅,正极为二氧化铅，电解液为稀硫酸，主要有起动型、固定型、牵引型、动力型和便携型， 常为开口或防酸式(GF),少量为胶体电解液蓄电池(GEL)。近年来,，特别是VRLA（Valve Regulated Lead Acid Battery）蓄电池的出现，在某些领域已经能够取代碱性蓄电池和干电池，使铅酸蓄电池发挥更大的作用。由于铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，因此应用广泛，是我国的电信行业中后备电源的主要产品。但同时由于铅酸 蓄电池比能量偏低，生产过程有毒、污染环境等不利因素，一定程度上影响了其使用范围。 　　B．镉镍蓄电池负极为镉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液。常见外形是方形、扣式和圆柱形，其有开口、密封和全密封三种结构。按极板制造方式又分有极板盒式、烧结式、压成式和拉浆式。镉镍蓄电池具有放电倍率高、低温性能好，循环寿命长等特点。            C．金属氢化物镍蓄电池是新开发出来的新产品，负极为吸氢稀土合金，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾、氢氧化锂水溶液，比能量是镉镍蓄电池1.5-2倍，具有可快速充电、优良的高倍率放电性能和低温放电性能，价格便宜，无污染，被称为绿色环保电池。            D．铁镍蓄电池负极为铁粉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。具有结构坚固、耐用、寿命长等特点，比能量较低，多用于矿井运输车动力电源。              E．锌银蓄电池负极为锌，正极为氧化银，电解液为氢氧化钾水溶液，具有较高的比能量及优良的高倍率放电性能，但价格偏高，多用于军事工业及武器系统。              F．锌镍蓄电池负极为锌，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液，具有高比能量，价格较低；但寿命较短，近年来锌镍蓄电池的循环寿命有了较大提高，预计随着循环寿命的提高将获得更广泛应用。            G．锂离子蓄电池负极是碳(石墨)，正极是氧化钴锂，由于采用有机电解质液，具有电压高、比能量高及优良的循环寿命，安全无污染，被称为绿色电源。常作为通讯工具和便携器材的电源。 　　 展望 　　        总之，我国的蓄电池工业随着各行各业的发展获得了迅速发展机会。至今目前，我国从事蓄电池生产的企业已达千家之多。同时，免维护、阀控密封式铅酸蓄电池、金属氧化物物镍蓄电池、锂离子蓄电池等新型蓄电池也各有侧重的应用于各行各业中。

整体电池巡检方案 http://tech.c114.net/168/a706049.html     1------------------- 相对电压差分放大 ---光耦隔离----ADC http://wenku.baidu.com/view/e87ea6a7f524ccbff121846d.html     2----------------------------------------------   每路采用光耦继电器隔离                   3------------------------------------------------ 采用高压差分放大器直接               4------------------------------------ 相对地（浮地） 差分放大               5---------------------------------------- 继电器选路+差分放大+跟随+adc          

1、免维护电池-阀控式铅酸蓄电池（VRLA）使用寿命为8-20年，这么长的使用过程中往往出现例如：电池端电压不均匀、电池壳变形、电解液渗漏、容量不足等现象，为通讯安全带来隐患 2、引起电池容量不足的原因有多方面，由于电池平常是并在通讯电源系统上，单靠测量电池的浮充电压无法全面了解电池的健康状况，所以电池的在线容量测试非常必要，这一问题现在以引起维护部门的广泛关注 3 、电池老化原因 蓄电池长期浮充 ，造成活性物质钝化，电解液固化；均充频繁，造成电解液干涸、极板栅格腐蚀；大电流放电或过放电，造成极板变形、硫化等 原因， 导致电池容量降低甚至失效，给通信安全造成隐患VRLA电池中由于电解液比重更大而且浮冲流 ，因而电极腐蚀更为迅速，电极腐蚀也会消 耗氧：气从而使电池变干，这是VRLA电池特有的故障。 4 、电池老化情况   当电池的实际容量下降到其本身额定容量的90%以下时，电池便进入衰退期。   当电池容量下降到原来的80%以下时，便进入急剧的衰退状态，这时电池已存在事故隐患。   当电池容量下降到原来的60%以下时，电池已达到报废状态。 5 、《电信电源维护规程》要求：     蓄电池应每年做一次放电深度为30%-40% 放电实验 ；     每三年做一次放电深度为100%的容量试验，使用年限达六年后每年一次， 蓄电池放电期间应每小时测量一次端电压和放电电流。     单体蓄电池电压测量方法怎么样测量会比较好，单体蓄电池电压测量方法我们一般常采用的是机械继电器法隔离检测、差分放大器法隔离检测、电压分压法隔离检测、光电继电器法等。 机械继电器法可直接测量每个单体蓄电池的电压，但是机械继电器使用寿命有限、动作速度慢，不宜使用在长期快速巡检过程中。 差分放大器隔离法的测量误差基本上由隔离放大器的误差所决定，但是由于每一路的测量成本比较高，因此在经济性上略显不足。 电压分压法的响应速度快、测量的成本低，但是其缺点是不能很好的调节分压比例，测量精度也不能令人满意。 光电继电器法的响应速度快，工作寿命长，测量的成本相对较低，开关无触点，能够起到电压隔离的作用，若选用的光电继电器采取PhotoMOS 技术，则能达到较高的测量精度，所以光电继电器隔离法是比较理想的单体电池电压测量方法。本文的单体电池电压测量方法就是基于光电继电器隔离法实现的。 光电继电器的通断控制策略是光电继电器隔离法要解决的重要问题。常用的光电继电器的通断控制方法有：I/O 直接控制、译码器控制、模拟开关控制等。I/O 直接控制方法简单，容易实现，但是需要占用大量的I/O 资源。 译码器控制和模拟开关控制的思想类似，即用数量少的I/O 去控制数量多的光电继电器，这两种方法减少了I/O 口的占用。采用I/O 直接控制、译码器控制和模拟开关控制都需要将通断控制电路、A/D 转换电路及处理器设计在同一个模块即采样模块上，这样的话单体电池的两个电极就需引线到采样模块上，整个电池组来讲就会有大量的导线连到采样模块，造成安装的繁琐和电气走线的复杂性。 对单体电池电压的测量，应着重解决三个问题：使用现场与测量系统的电气隔离、降低成本和简化设计方案、提高系统精度。I/O 直接控制、译码器控制和模拟开关控制这三种光电继电器的通断控制方法在设计的简洁性方面就显得不足。 目前常用的测量方法主要是这些，不过也在不断改进当中，相信在未来的发展道路上，关于单体蓄电池电压的测量方法也不断改进，更简单方便