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1、摘 要铅酸蓄电池是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池,它所消耗的铅占全球总耗铅量的82%。我国铅酸蓄电池工业本世纪80 年代进入蓬勃发展时期,随着国民经济的发展,其市场将不断扩大,以汽车、摩托车及电力、通讯为主要对象。近年来,电动汽车等无烟交通工具的开发,会使铅蓄电池有更大的发展。蓄电池作为直流备用电源，对系统的安全可靠运行有非常重要的作用。蓄电池是保证直流不间断供电的基础，对蓄电他的维护在通信电源的技术维护工作中是非常重要的。正常情况下，让蓄电池处于充满而又不过充的状态，这样蓄电池失水率低，负极板析出的氢气少，在整流器一旦无输出时，可以保证蓄电他能够单独向主机供电一定时间。蓄电池组
2、作为备用电池 , 往往不允许电源有间断 , 因此对电池组的性能要求是比较高的。传统的对蓄电池端电压的测量依靠人工来进行 , 使用的是手持式数字万用表 , 这样既浪费时间 , 又浪费人力 , 而且测量过程中也难免引入人为误差。蓄电池是确保设备正常运行的最后一道生命线，一旦事故出现而蓄电池又不能正常工作，情况将不堪设想。由于缺乏必要的专业仪器仪表，使得对蓄电池组容量测试还停留在人工检测水平上，这是一项操作繁琐、工作量大，效率极低的工作，造成很多地方未能按照规程要求对蓄电池进行容量测试维护。为避免蓄电池在长期使用中因维护问题出现故障而引发事故带来经济损失，需对蓄电池进行实时在线监测和维护。要求电池组
3、中各单体电池都要处于良好状态（均匀性和一致性比较好），若发现一“只“落后”电池，就要进行处理，否则就会大大缩短蓄电池单独放电的时间。本文阐述了用于电力系统的蓄电池组的使用和维护原理, 结合电力系统对蓄电池监测和维护的实际要求，研究开发了蓄电池智能监控系统（BIMS）。本系统利用传感技术和光电耦合技术进行蓄电池数据采集, 通过对蓄电池组的单体电压、总电压、充放电电流、温度的监测来确定蓄电池组的运行状态，并且创新实现在线平衡单体蓄电池之间电压,对蓄电池组运行进行有效的维护，使蓄电池组的运行状态易于观测以最大的减少系统出现事故的可能性，并且使蓄电池组得到良好的维护，从而增加蓄电池组的使用寿命，达到节
4、约资源和环保的目的。本系统采用了以单片机STC12C5410AD为主控板控制核心，连接数个以STC12C5410AD为控制核心的平衡板进行数据采集和平衡蓄电池电压的软硬件设计，完成对所测量得到数据的整理、保存和对蓄电池组运行状况的分析,对整体蓄电池的监测与平衡维护，利用LCD来完成对所测量得到数据的显示。本文以电力系统使用最多的2V蓄电池组系统为例，详细介绍了2V蓄电池智能监控系统中由主控板和平衡板组成的执行系统的硬件组成原理和软件运行流程。经试验测试本系统能够精确的测量和显示蓄电池组的各项运行数据,并且能有效的平衡蓄电池组之间的电压，能够对蓄电池组进行有效的监测与维护。关键词: 蓄电池；监测
5、；维护；单片机；STC12C5410AD 1 引言1.1 研究目的及意义众所周知，铅酸蓄电池以其价格低廉、制造成本低，容量大，工艺简便、性能可靠和适应性强等诸多优势，已成为目前使用最广泛的化学电池之一。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源，历史悠久，使用广泛，与我们的社会生活息息相关。中国每年铅酸蓄电池产量高达3000万kWh、销售额高达80亿元，且年增长率达30%，在电信、金融、UPS、广电、电力、汽车、铁道、太阳能、风能等各行各业普遍应用。电池作为直流系统最后一道关口，如果听任
6、其长期处于状态不明的情况下运行，那么将存在严重隐患。随着时间的推移，电池使用年限的增加，由电池引起的中断事故将防不胜防。 近年来，通信电源系统因蓄电池故障造成通信中断的情况呈上升趋势，因蓄电池爆炸造成的恶性事故也发生过不止一次。2003年7月14日上海地铁1号线发生停运62分钟的事故，造成45万名乘客出行受到影响，其中主要原因之一就是蓄电池的过早老化，在触网恢复供电后列车逆变器无法工作。车辆出现亏电，造成事故影响时间拉长。而过早老化的原因就是因为：传统的蓄电池组管理方法。被誉为“人造天宫”的俄罗斯“和平”号空间站，曾与地面失去联系长达20多个小时，完全处于失控状态之中。后经查实，事故原因正是蓄
7、电池异常放电。2001年8月，电力系统某110kV变电所发生火灾，高压室严重烧毁。事后调查发现，当交流失压后，二次系统失去电源，保护装置无法动作，后经检查直流电源系统，发现有8只蓄电池的端电压几乎为零，这8只蓄电池内阻很大，直流无法输出，使事故扩大。直流电源装置中的关键设备是蓄电池组，事故暴露出运行人员在直流电源，尤其是蓄电池维护方面的欠缺，单体电池的电压和容量出现的不平衡现象没有得到及时处理，致使电池损坏，直流装置如同虚设。蓄电池平时是并联在整流设备上并处于浮充状态，时间一长，蓄电池就会出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、板板腐蚀及硫化等现象，从而导致蓄电池容量降低甚至失效。因此，合理可
8、靠地对电池进行管理和维护，保证电池有较长的使用寿命，从而达到保证设备拥有不间断电源是一件意义重大的事。所以，在电源系统的维护中，蓄电池的维护管理占据非常重要的位置。怎样才能延长蓄电池的寿命，保证蓄电池有足够的容量，充分发挥蓄电池作为后备电源的作用，确保通信、电力、应急等系统的正常运行？这对各个行业电源及后备电源维护有着非常重要的意义！为了保证通信电源安全、可靠地运行，本文从蓄电池在供电系统中起到的重要作用方面，应用智能化的监控的优越性，实现延长蓄电池的使用寿命以及能源再利用的环保，具体如下：1.维持个体蓄电池的最佳充电状态，从而保持蓄电池的最大容量；2.大大延长蓄电池的工作寿命，减少了资源浪费
9、和环境污染；3.在线巡测蓄电池组中个体蓄电池的电压、电流、温度等技术指标，同时实施提前报警，为各行业的最后生命线提供了强而有力的保障；4.智能化的管理，为整个电源系统实现无人职守的趋势奠定了基础。1.2 研究概况及发展趋势1.2.1国内研究概况随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，以及在变电站自动化系统等方面研究的深入，关于蓄电池的自动化监测问题也提到日程上来。近几年以来，很多人开始研究蓄电池的自动化监测。蓄电池监测系统中，主要内容是对单电池电压的监测。其中，关于温度和电流的测量都属常规测量，而且在这些方面的测量技术都已成熟。在电压的测量方法上，对单个电压量的测量方法
10、非常简单。最关键的是如何测量电池组中串联在一起的单个蓄电池的电压。在解决如何测量单电池电压问题上，人们进行了大量的研究工作。有人提出用继电器来切换电池组中的每只电池。用触点式继电器切换的缺点是：体积大、成本高、寿命短、速度慢，且其电压值计算比较麻烦；有人提出另外一种方法：在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上采用可编程定时器的V/F转换器。其中，在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点，且采用V/F转换作为A/D转换器。其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。关于在线测量单只电池电压的方法，还有人提出用光电隔离器件和大电解电容器构成采样，
11、保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。此电路的缺点是：在A/D转换过程中，电容上的电压能发生变化，使其精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定采样时间长等缺点。国内研制并投产的ZXJ24/2-1型蓄电池组智能监测仪，采用浮动地技术测量蓄电池组中各单电池电压，测量的参数还包括电池组电压、2路电流、2路温度。直流电源系统在线监测仪是以单片机为核心的智能仪器 , 它采样原理新颖、方法独特、测试精度高、可靠性好、性能价格比高。可对蓄电池组中每一只蓄电池实现在线监测 , 也可替代传统的人工标示电池测量以完成全体电池的自动测量、存储及打印。因而使用该仪器省时、省力还可提高测
12、量的准确度。它的广泛使用可大大提高蓄电池的维护效果 , 并可尽早发现电池的缺陷 ,以使其得到及时处理 ,达到延长电池寿命的目的。1.2.2国外研究概况美国BMS（Battery Monitoring System）蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业。1989年，美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了无人值守场站PBWC铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4年的研究与开发，耗资200万美元，于1994年完成样机的现场试验。测定的参数包括：电池组电压、单体电压、（浮充电）维持电流、电池内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。其方法是采用安装在每一只电池上
13、的多传感器电池监测模块（叫“电池监测器”，是真空密封的）。这种模块通过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器，每一电池组监测器可监测256个单电池。远程控制中心通过MODEMS和公用电话线对电池组监测器进行监测，可监测的电池组监测器的数量不受限制。控制中心PC机能定期查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池状态及其趋势的信息，能获得每一节电池的参数。其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立监测。单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有稳压的A/D转换器。电池组电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻器和带有稳压参考的A/D转换器（由电池组供电）。电池组电流的测量用霍
14、尔效应磁域传感器来测量。电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器来测量，并且同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。电池组温度的测量是用同样的装置来测量。为了描述电池组周围空气的平均温度，传感器一般位于电池组支架上。此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆及医疗等领域。关于BMS蓄电池的监测有多种监测目的。因此，监测的重点也有差异，在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。在圣巴巴拉某区的电车上，使用了VRLA蓄电池作为电源。同时在蓄电池上安装有BMS 蓄电池监测系统，以评价蓄电池的运行状况。BMS能够向操作人员提供有关剩余电量的信息及电池性能接近极限状态
15、时的报警状态。同样重要的是，为对电池状态进行分析和维护，将数据进行记录。这里使用的电池单电压是12V。此BMS的数据采集系统包括16路单电压通道、测量一个领示电池温度及环境温度的4路温度通道、电池组电压和电流通道。A/D采样速率是每秒40个采样点，精度好于0.1%。电源供电部分使用了DC/DC变换器。此BMS 通过获得电池的数据来分析电池和车辆的运行状况。在韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测。铅酸蓄电池作为独立光伏系统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长整个系统的服务寿命非常重要。蓄电池组的监测内容有：单电池电压、电池组电压、通过电池组的电流及电解液的比重等。每一个被选择
16、的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。这个系统中有一个20个通道的扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。电解液的比重是通过数字比重计测量。研究的监测系统不仅要监测以上这些内容，而且采用了一种“电流中断技术”，以测量电池组充电时电池的内部电阻。根据单电压和电流的关系，通过连续测量内部电阻以监测电池的老化趋势。在国外有人研究VMS（VRLA Battery Management System）阀控密封铅酸蓄电池管理系统。这个管理系统不是简单的监测蓄电池，而是设计成具有管理和控制蓄电池的功能。此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。因为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电流。系统监测的内容包括：单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。VMS中包含了BMS。它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。这样更有利于对蓄电池的维护，延蓄电池使用寿命。1.2.3发展趋势国外
