蓄电池远程管理维护系统研究与设计_王晓舜.pdf

wwwele169com|97电子基础0 引言地铁的稳定运行需要多项设备系统的支撑，每项设备系统都需要 UPS 电池为其提供稳定可靠的电源输出，同时地铁需要在危险情况下，列车、车站等紧急疏散乘客，需要EPS 电池提供稳定可靠的后备电源供应1。对使用中的电池维护由于 UPS 主机只能检测电池组部分数据且并不一定具备数据上传功能，因此各行业对电池的维护仍然以人工现场操作为主（测量指标、充放电、检查外观等），不仅加大了维护成本，还导致数据不准、问题难发现等问题，成为当前电池使用的最大痛点。许多科研机构和企业开始加强电池管理系统的研发和设计，基于信息化手段实现电池运行管理和操作。目前，我国电池管理系统行业发展趋势主要体现在技术、市场和竞争三个方面。在技术上，BMS 相关软件算法不断优化，逐步朝着高集成化、高精度估算、智能化的趋势发展2；在市场上，BMS 需求量将随着电池市场渗透率提升而增大，储能 BMS 市场需求随着产业发展也有待进一步释放3；在竞争上，随着电池管理系统企业数量越来越多以及技术要求的升级，行业企业或面临着新一轮的洗牌4。1 蓄电池远程管理维护系统应用分析电池管理系统经过多年的研究和应用，开发技术不断地提升，随着我国BMS厂商数量逐步增多，产品类型更加丰富，电池管理系统相关行业标准的不断完善，以及动力电池系统性能逐步升级和储能 BMS 市场开启发掘，我国电池管理系统未来的发展空间十分广阔。BMS 技术将来关键有两个发展前景：一是内阻、SOC 更精确，内阻、SOC 是关键主要参数指标值。怎样根据收集电池组内各电池的工作电压、蓄电池充电电流量、温度等数据信息，创建更精确预测分析电池内阻大小、SOC 的数学分析模型，将是将来电池智能管理系统科学研究的关键发展前景；二是 BMS 均衡工作能力将进一步提高，BMS 关键处理单细胞间的差别。电池危害电池组的高效率和安全系数。因而，怎样赔偿式子电池充电的不一致性，维持电池中间的相对性一致性，将是将来电池智能管理系统发展趋势的另一个方位。它由很多串连的单个电池构成。因为在生产过程中不太可能保证每一块电池都彻底一样，即便是同样型号、同规范规格型号的电池，在工作电压、电阻器、电池容积等物理学主要参数上也会存有一定的差别。这类组合很有可能已经应用中。它会进一步扩张。数次蓄电池充电后，电池会越来越不平衡，比较严重危害电池组的应用高效率和安全系数。因而，怎样赔偿式子电池充电的不一致性，维持电池中间的相对性一致性，也是电池智能管理系统发展趋势的另一个方位。地铁 UPS 电池管理系统采用分布式架构，通过开发单体电池参数检测模块、汇集模块、霍尔传感器和主控制器，实现对单体电池电压、温度、内阻、组端电压及电流的检测，并实现对浮充电池进行各参数实时监控。主控制器实现对单体电池检测模块的管理，通过网络将数据传送到监控中心；搭建监控中心，收集来自电池管理系统（BMS）传来的电池参数数据，对电池及其检测数据进行有效的分析和管理，确保电池组安全可靠地运行。具体的，蓄电池远程管理系统主要包括两个关键组成部分，分别是硬件组成部分和软件组成部分。电池组检测维护系统和软件组成，检测维护系统由单体电池检测模块、汇集模块、霍尔传感器和主控制器等构成。单体电池检测模块是系统的关键，具备单体电压检测、单体温度检测，单体内阻检测，可尽早发现亏损电池，提醒维护或调换，避免电池组故障，延长电池寿命。数据通过通讯总线发送到汇集模块上传至主控制器进行管理。单体采集模块硬件由电压采集电路、内阻采集电路、温度采集电路、蓄电池远程管理维护系统研究与设计王晓舜1，邵飞2，董利军1，杨堃1，周怡1（1.无锡地铁集团有限公司，江苏无锡，214000；2.江苏太湖云计算信息技术股份有限公司，江苏无锡，214000）摘要：蓄电池管理系统采用物联网、移动通信、集成芯片等技术，可以实时的采集和分析蓄电池的运行状况，从而能够实现蓄电池的运行管理和维护更新。本文结合地铁站蓄电池管理需求，设计一个蓄电池远程管理维护系统，该系统采用分布式的架构，能够详细地展示电池运行数据，比如电压、内阻、温度等，基于电池运行数据进行综合分析，从而可以在线判断电池容量可靠性，及时准确发现电池各类隐性故障，同时监控电池的单体承载，均衡蓄电池的实际容量，避免过度依赖某一单体电池产生恶性循环，进一步调了电池维护的智能化和自动化。关键词：蓄电池；管理维护；分布式架构；集成芯片电池接口及电源微控制器通讯级联接口电压采集电路内阻采集电路温度采集电路图 1 单体电池检测模块DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.00798|电子制作 2023 年 1 月电子基础电池电源输入、通讯接口及核心微控制器构成，从而实现对单体电池电压、温度和内阻的测量以及对外通讯功能。单体电池检测模块组成如图 1 所示。2 蓄电池远程管理维护系统设计 2.1 系统整体结构设计单体采集模块程序以初始化硬件和加载用户配置参数开始，ADC 硬件单元持续进行采样，循环执行温度与电压的计算，系统整体架构如图 2 所示。开始是否有操作指令？初始化硬件参数查询温度查询电压查询内阻地址设置测量校准数据查询ADC 定时采样计算温度计算电压操作开关ADC 定时采样计算内阻对应指令返回是否进行内阻测量？是是是否否 图 2 单体采集模块功能程序单体采集模块 MCU 选用的是德州仪器公司的超低功率混合信号微控制器 MCU 器件。该器件集成了 3 个独立的24 位三角积分 A/D 转换器、1 个 16 位定时器、1 个 16 位硬件乘法器、USART 通信接口、安全装置定时器和 11 个 I/O 引脚，如图 3 所示。单体电池检测模块是 BMS 的关键，实现高精度的电压检测、温度检测，内阻检测，并控制实现对电池的均衡等等。模块具备处理器和相应的硬件电路组成，多个单体电池检测模块、汇集模块与主控制器采用总线的方式连接，实现数据交互，如图 4 所示。温度传感器单体电池电压电路内阻检测温度检测均衡控制微处理器RS485通信接口电源电路图 4 单体电池检测模块框架电压检测原理：电阻分压，微控制器 ADC 实现测量；电池温度测量原理：热敏电阻随温度阻值变化，测其两端电压，根据电压基准值及变化情况确定热敏电阻阻值，进而计算温度；电池内阻测量原理：通过操作大功率电阻获取前后电源电路电压及电流增量，两者之比即为电池内阻。内阻检测通常情况下能准确查出容量偏低或完全失效的电池。根据大量的实验分析及研究结果证明，电池的容量降低以后，内阻值会有明显变化，所以，相比于放电试验，通过监测单体电池内阻预测电池故障是十分可靠的方法。单体电池的内阻与其寿命、供电能力有着密切关系，因此可以用来检测电池放电时的供电性能。单体电池的内阻可以作为电池性能好坏的重要指标。大量实验数据表明，如果单体电池的内阻增加超过某个经验数据，该电池的未来寿命将受影响，不能释放出应有的容量，据此可以有效检查出有故障隐患的电池。2.2 系统业务流程设计当系统接收到有效的 AT 指令时，系统将对应执行配置、校准或查询功能，当系统接收到有效的 ModBus 指令时，系统将执行对应的数据查询。一般任意指令均有返回。值得注意的是，由于内阻测量过程复杂以及消耗电能，因此内阻测量频率应很低，所以内阻测量由主机查询时触发，过程中多次测量取均值，以实现较高精度。单体电池采集模块程序图 3 MCU 器件电路设计wwwele169com|99电子基础以初始化硬件和加载用户配置参数开始，ADC 硬件单元持续进行采样，循环执行组压、充放电电流、浮充电流和温度的计算。当系统接收到有效的 AT 指令时，系统将对应执行校准或查询功能，当系统接收到有效的 ModBus 指令时，系统将执行对应的数据查询。如图 5 所示。开始初始化硬件加载配置参数是否有操作指令ADC定时采样（组压、电流、温度、纹波、绝缘电阻）测量校准数据查询否AT指令查询温度查询电压查询电流查询纹波查询绝缘电阻Modbus指令对应指令返回 图 5 单体电池采集模块程序主控制设备程序以初始化系统时钟和初始化系统外设开始，随后初始化内存并加载用户数据，接着进行操作系统的初始化并注册系统任务，最后各项系统任务正常执行。如图 6 所示。开始初始化系统时钟初始化系统外设注册系统任务初始化内存，加载数据初始化操作系统系统任务正常执行 图 6 主控制设备程序3 蓄电池管理维护系统测试蓄电池管理维护系统完成之后，本文针对其进行测试。首先，将单体电池监测模块安装在蓄电池表明，使用带贴胶固定，测试结果显示结果如表 1 所示。表1 单体电池监测模块测试结果测试项目测试结果电压测量结果1.2V3.0V（2V单体电池）；8.0V18.0V（12V单体电池）电压测量精度结果0.2%温度测量范围结果温度测量范围：-1085温度测量精度结果1内阻测量范围结果065535内阻测量精度结果2%，分辨率为3通过监测分析电池正、负母线上的电流均衡等情况，当发现任何电池任何一级因为电池漏液短路造成电流失衡时，系统会产生告警，并告知用户引发告警的原因，如表2所示。表2 电流监测模块测试结果测试项目测试结果工作电压结果12-15VDC(5%)工作电流结果20mA采集精度结果1%(Ta=+25)线性误差结果0.5%偏移电压结果50mV(Ta=+25)隔离耐压结果50KV(50HZ,1min)4 结束语蓄电池远程管理系统采用了先进的分布式系统架构，检测模块直接安装在单体电池上，缩短了连线长度，避免干扰和线阻对精测参数精度的影响，每节电池电能转化为化学能的过程被真实感知，并以电压、内阻、温度等多种参量的曲线形式真实详尽展示电池性能的变化过程，从而实现电池性能的回溯和精准预测，根据采集数据进行加工分析，有效提高维护效率，同时在线判断电池容量可靠性，及时准确发现电池各类隐性故障，智能监测电池组热失控、电池开路等电池安全关键指标，异常时及时预警，提升整组电池的实际使用效率。参考文献 1 龙波,黄杰,陈永根,等.变电站蓄电池远程充放电控制系统的研究 J.电子产品世界,2020,27(5):34-38.2 郭志成,郭宁,李晓青.基于 GPRS 的微电网中蓄电池远程监测系统设计 J.工业仪表与自动化装置,2021(3):41-44.3 王琪,马江睿,王晨.基于 ZigBee 的电池管理系统研究与设计 J.自动化与仪表,2021(10):101-104.4 孟青,杨勃,牛慧芳,等.基于 STM32 的全钒液流电池管理系统的设计与实现 J.计算机测量与控制,2020,28(9):62-67.