无锡机电高等职业技术学校 郭 平

近半个世纪以来，迅猛发展的工业对能源的需求空前巨大，加上对不可再生能源的不合理开采，导致了全球能源危机。为了缓解能源危机，各国相继开发以蓄电池为动力的新型车船。蓄电池是电动车船动力系统核心，它的性能好坏直接影响车船的行驶能力。要高效精准地维护电池良好的工作状态，就需要实时了解蓄电池工作状况，毫无疑问，尽快构建车船蓄电池在线管理系统十分必要和紧迫。

1.蓄电池在线管理系统构建格局

1.1 动力蓄电池

蓄电池是一种可循环充电电池，常用种类有铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池等，其他还有镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、锌空气蓄电池、铝空气蓄电池等诸多种类。作为车船动力蓄电池，比如铅酸蓄电池，其性能较之一般用途的蓄电池，有比能量高、比功率大、正常工作温度范围宽、能快速充电、循环寿命长、自放电少等特点。在电动车船领域，现在装备的密封阀控式免维护铅酸蓄电池采用全密封防漏设计，解决了电池失水问题，可免维护运行，且具有容量大、比能量高、自放电小、使用寿命长、密封效率高、安全可靠等优点，符合车船用作动力蓄电池的设计要求。基于以上分析，在蓄电池在线管理系统构建试验过程中，采用了单节电压为12V、容量2OAH的全密封阀控式免维护铅酸蓄电池组作为实验对象，对整组4节串联48V蓄电池组进行模拟运行分析，主要是考虑电源电压较低便于实验研究设计的管理系统。实验证明其相关软硬件设计理论，可直接推广至由更多节电池串联而成的电池组。

1.2 在线监测需求

目前电池组检测技术受诸多因素影响远远不能满足用户实际电能生产需求，其反馈信息单一，精度低；大量的人工测量费时费力，安全性差，周期长，无法及时发现落后、失效蓄电池；频繁的放电测试对蓄电池会造成无法恢复的伤害隐患。同时，蓄电池组在工作中，如电池本身的设计、生产厂工艺及使用维护等原因引发内部隐患，电池失效现象时有发生，严重影响了电能系统的正常运行。为保证系统的安全、正常运转，必须对蓄电池的状况进行在线实时检测。从查阅大量资料和社会调研结果显示，重新考量电池组检测技术是业内十分关注的课题。为此，在构建蓄电池在线自动检测初始实验中，已充分考虑到对电池相关的底层信息的采集通道采取了必要的电气隔离措施，从而避免电池组串联高压影响。经理论推演如果增加电池节数，相应的硬件系统只需增加与之相应的采集通道即可，能够保证实验成果的可应用性。

1.3 系统功能设计

构建蓄电池在线管理系统，如设计其主要功能有能报告电池组中单个电池状态，以便及时消除个体隐患；能通过仪表对电池电量等多个参数实时显示，为同步操作提供精准信息；能对电能的稳定状态维持时间作出预告，为电池维护留出充足时间；能实现电池环境温度的自动调节，提高电能输出效率；能对出现的非正常工作环境发出警报，最大限度地延长蓄电池的使用寿命，节约运营成本，等等。设计蓄电池在线管理系统的这些重要的实用功能，为最终实现对蓄电池电能输出的稳定性控制，排除外界扰动引起的蓄电池输出电流或电压的波动，减轻操作人员工作强度提供了有力保障。

1.4 系统主要部分

蓄电池在线管理系统，主要包括数据采集的底层驱动程序设计，不平衡检测、容量预测、失效判定等管理功能的算法设计与程序设计，以及系统界面的程序设计等。

数据采集，获取电池工作状态参数和相关环境参数，包括电池端电压、充放电电流、电池体温度、环境温湿度等底层信息采集。通过对采集的若干检测数据进行算法处理，实现电池管理系统相关实用功能。电池状态包括荷电状态（SOC）和健康状况（SOH）两大方面。荷电状态给出电池剩余容量相关信息；健康状况给出与电池寿命相关的信息，可以近似表征电池的老化程度。

能量管理，根据电池相关状态的信息控制电池充放电。安全管理，监视电池电压、电流和温度，防止电池的过充、过放电。温度管理，控制电池组的温度均衡，保证电池组在适宜温度环境下工作。人机界面，有电池状态的显示，按键控制接口，报警装置等，方便操控人员获知电池相关信息。

2.蓄电池在线管理系统构建机理

2.1 确保精度

一般蓄电池的工作空间紧凑、数量众多，且不能大量使用传输线缆。工作人员对电池的工作状态逐一检测既耗时又费力，工作量繁重且精度较差。通常电池采用开口式结构，在工作过程中产生的即使些许酸雾和氢气都会对工作人员的身体和用电设备运行安全造成较大威胁。因此设计的蓄电池在线管理系统，其方案在生产运用中安全可靠、自动化程度高、容易操作和方便维修更换等方面的要求很高。蓄电池在线监测管理系统，针对测量电池的运行条件和检测电池本身的状况而设计，不仅要求能够获取系统多方面的数据，而且要求能够在系统运作过程中获得若干精准的实时数据。

2.2 监测参数

电池组由若干节电池组成，而单节电池内部又由多个单体电池组成。一般一个单体电池电压为2V，6个单体电池串联构成一节12V电池。由于生产工艺和成产过程的不一致，导致电池内部单体电池彼此之间的容量有偏差，不可避免的在整组电池中发生部分电池过充、过放或亏充的现象，这将使得电池性能恶化，电池间不平衡程度进一步拉大，进入恶性循环。因此，能够及时发现电池组中落后电池是哪一节或哪几节落后，落后程度等信息，对维护电池性能具有非常重要的意义。判断工作电池之间的不平衡，对单体电池端电压进行跟踪检测与比较，其内部单体电池故障状况就可以实时反映出来。通常电池组故障处理的最小单位是单节电池，而更换电池组中落后的单体电池成本低，更便捷。蓄电池在线管理系统构建对蓄电池运行参数实行全面监管，诸如单体电池电压、电池组电压、充放电电流、蓄电池的环境温度等参数，从而保证蓄电池在正常条件下稳定工作。

2.3 设置报警

当电池性能出现恶化或者工作环境出现异常时，系统利用蜂鸣器发出报警信号。根据蓄电池在线管理系统整体设计的标准要求，针对各种情况设定相关警报门限值。实验中将整组电池电压监测采用UPS设计在整流电源内。测量电池组的电压、电流和温度，进行充电和放电管理，尤其是根据环境温度变化调整电池的浮充电压，在电池放电时电池组电压低至某下限时报警。整组监测存在较大的不足是在蓄电池组放电时，放电的截止电压是N×1.8V/只（N为蓄电池数量），由于蓄电池组中蓄电池单体的一致性无法严格保证，因此在放电中当个别电池已经达到放电截止电压，但电池组并没有达到N×1.8V/只时，就会出现个别电池过放电。当单节电池放电至终止电压1O.8OV时，若还未停止放电，电池过放电需要发出警报。正常工作模式下，若放电电流超过1OA则视为深放电，长时深放电时发出警报；当电池运行环境温度超过5O℃时，发出温度异常警报。

3.蓄电池在线管理系统构建特色

3.1 优越的集成系统

为了提高蓄电池在线管理系统的集成度与便携度，设计开发基于单片机嵌入式技术以及传感技术的电池电量检测系统。将所有元件集成在一块PCB板上。硬件电路能对蓄电池各个参数，包括单节电池端电压、放电电流和电池温度等进行实时在线的准确测量。使用STC11F6OXE单片机芯片作为输入、计算﹑控制和输出的中央处理器，检测与处理各项参数。

其中，单片机最小系统设计如图3所示。

另外，选用可调恒流负载模块和大功率三极管控制主放电回路，整个系统的先期调试和测试可以方便地在实验室内完成。同时，该负载还可以模拟负载，比如车船的加速、减速和匀速的运行状态，使得实验数据完全再现实际状况，更加贴近设计指标。

3.2 先进的检测技术

在检测技术方面，采用先进的分电池单独检测法。这与目前大多数只检测整个电池组相比，该方法能使操作者清楚地了解到电池内每个电池的状况，避免因单个电池的损坏而影响其他串联电池的使用寿命。电压测量采用高线性度光电耦合器进行隔离。电流测量采用霍尔电流传感器。同时，将主回路高压大电流信号统一隔离成O-5V标准信号，使得系统抗干扰能力强，精度高。AD转换采用转换周期为1Ous的12位高速高精度AD，保证了参数采样的可靠性。

3.3 优化的数据算法

在系统软件开发中，采集检测数据进行剩余电量计算法、电池组不平衡检测算法等多种算法处理。比如在基于安时积分法（AH法）的电池剩余容量的预测模型中引进Peukert方程。考虑电流和温度等因素变化对电池实际容量的影响，电池剩余容量预测有较高可靠性。其原理是对充放电电流按时间进行积分，累计电池放出电量，再根据蓄电池总容量得出剩余容量。再如SOC估算方法，利用车船电池间歇工作特性，基于开路电压法与安时积分法相结合，充分考虑各种影响因素并进行补偿，据此判定电池是否失效，免除了对电池做核对性放电试验的麻烦。通过对单片机算法统筹，蓄电池在线管理系统具备串联电池组不平衡检测，剩余容量预测，电池失效判定，电池异常工况报警等多种功能，很好地满足了用户需求。

3.4 友好的人机界面

蓄电池在线管理系统设置自动警报喇叭，在出现电量过低﹑端电压过低﹑电池组严重不匹配﹑负载过大﹑温度异常等情况时提醒操作者注意。在人机接口上，选用32O×24O像素的TFT彩色液晶屏显示系统采集的各项数据、参数和电池运行状态，并接有导航键盘，方便用户操作。简洁、友好、直观的输入、输出的用户界面，实用易用价值凸显。

[1]刘胜利,邱振国.电动车蓄电池修复与控制电路检修技巧[M].北京:机械工业出版社,2010,1.

[2]胡信国.动力电池技术与应用[M].北京:化学工业出版社,2009,7.

[3]段万普.蓄电池检测技术[M].北京:电子工业出版社,2011,4