1 引言

在本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，蓄電池監(jiān)控模塊是一個相對獨立的單元，擁有自己的處理器單元和數(shù)據(jù)采集單元。因此，它既能作為本地用通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的一部分使用，同時加以簡單擴展就可以成為單獨使用的蓄電池在線檢測儀。本文詳細介紹了一套具有兩級集散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本地用通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊的設(shè)計。

2 蓄電池監(jiān)控單元的整體實現(xiàn)方案

蓄電池監(jiān)控一直是國內(nèi)外研究的熱點和難點問題，在本系統(tǒng)中，蓄電池監(jiān)控單元主要完成以下幾方面的功能：剩余容量的在線檢測、均/浮充方式轉(zhuǎn)換、單體端電壓測試及落后電池檢出、電池體溫度測試等等 。其總體實現(xiàn)如圖1所示。

圖1　蓄電池監(jiān)控單元的整體硬件結(jié)構(gòu)
處理器模塊是蓄電池監(jiān)控單元的核心，在這里我們采用了ATMEL公司最新的RISC高性能單片機AT90S8515及大容量8KB的FLASH ROM，不但保證了對大量數(shù)據(jù)進行高速分析處理，而且實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的保存查詢。
在數(shù)據(jù)采集模塊中，由于蓄電池監(jiān)控單元中需要處理的數(shù)據(jù)對精度均有特殊的要求，（比如對蓄電池內(nèi)阻的測量通常為mΩ級，且必須有足夠的位數(shù)），同時由于蓄電池內(nèi)阻、電壓均為緩慢變化的低時變信號，因此我們采用了16位的Σ-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7715，它具有自動校零、量程自動校準的功能，從而可以保證很高的測量精度，而且具有SPI接口，可以方便的與單片機接口。
蓄電池監(jiān)控單元中設(shè)有RS485的通信接口，與前端機主處理器之間以通信的形勢交換數(shù)據(jù)。因此在本系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊實際是作為一個智能設(shè)備與主監(jiān)控模塊聯(lián)系的。下面分別對內(nèi)阻檢測模塊、單體電壓測試模塊、單體溫度測試模塊進行詳細的介紹。由于電流測試模塊與主處理單元的直流數(shù)據(jù)采集與處理類似，在此不再贅述。

3 蓄電池剩余容量的在線檢測

蓄電池的剩余容量是用戶最為關(guān)心的一個問題，它與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)，蓄電池剩余電量越高，則系統(tǒng)可靠性越高，否則反之。因此如何能夠在既不消耗蓄電池能量又不影響用電設(shè)備的正常工作的情況下，實時的在線監(jiān)測蓄電池的剩余電量，將有重要的實際意義。
蓄電池是個復雜的電化學系統(tǒng)，它在不同負載條件下運行時，蓄電池實際可供釋放的電量也不同。隨著蓄電池使用時間的增加，其實際可釋放的電量也將下降。過去，常依據(jù)蓄電池的端電壓來判斷蓄電池的好壞和其剩余電量的多少，但該方法有很大的局限性。隨著電池老化，其端電壓變化不明顯。因此，利用端電壓的變化來推算其剩余電量有一定困難，誤差較大。

3.1 幾種常用的剩余電量預(yù)測方法

目前預(yù)測蓄電池剩余電量的方案最有代表性的有如下幾種 ：
（1）密度法：蓄電池剩余電量和其內(nèi)部電解液密度密切相關(guān)，電解液密度由硫酸鉛、氧化鉛和鉛三者決定。通過測量電解液的密度值，即可間接推算其剩余電量。但在電池使用后期，隨著正負極板的腐蝕、斷筋，上述三種物質(zhì)的比例跟電池制造時的配制比例發(fā)生較大差異，從而導致用密度值推算剩余電量不再準確。同時由于目前的通信電源系統(tǒng)中大多采用的是閥控式鉛酸蓄電池，這一方法難以應(yīng)用。
（2）開路電壓法：上面已提到，蓄電池的荷電程度跟蓄電池電解液密度密切相關(guān)，而 N.RST方程描述了電解液與電池電動勢的關(guān)系。因此，通過測量蓄電池的開路電壓，就可以推算出蓄電池的剩余電量。其缺點在于隨著電池老化、剩余電量下降時，開路電壓變化不明顯，因此也就無法準確預(yù)測剩余電量。另外開路電壓是電池無載時的穩(wěn)態(tài)電壓，因此只能在電池靜置時方可測量，不適合實時在線測量。
（3）定時放電法：通過對蓄電池施加一負載，計算單位時間內(nèi)的電池端電壓變化率，根據(jù)變化率的大小推算剩余電量，變化量小意味著剩余電量大，否則反之。為了實現(xiàn)在線測量，縮短測量時間，需要對蓄電池大電流放電，而大電流放電對蓄電池將會產(chǎn)生嚴重損傷，嚴重影響電池的使用壽命。
（4）內(nèi)阻法：研究表明，電池的內(nèi)阻與荷電程度之間有較高的相關(guān)性，美國GNB公司曾對容量由200~1000安.時，電池組電壓由18~360V的近五百個VRLA電池進行了測試，實驗結(jié)果表明，內(nèi)阻與電池容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)可以達到88%。因此，通過測量電池內(nèi)阻可較準確地預(yù)測其剩余電量。蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內(nèi)阻相差2~4倍左右。隨著電池充電過程的進行，內(nèi)阻逐步減??；隨著放電過程的進行，內(nèi)阻逐步增大。另外，隨著電池老化，其內(nèi)阻也逐漸增大，其剩余電量也隨之下降。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量的關(guān)系曲線
由于蓄電池完全充電和完全放電時內(nèi)阻變化率比電池端電壓變化率（端電壓變化率約為30%~40%）要大得多，故用測量蓄電池內(nèi)阻來預(yù)測其剩余電量，要比開路電壓法精確得多。內(nèi)阻法的優(yōu)點在于對在線使用的蓄電池來說，此方法對系統(tǒng)影響最小，并可在電池的整個使用期內(nèi)精確測量。
通過以上幾種測量方法的介紹及比較，不難看出內(nèi)阻法最適合于密封蓄電池剩余電量的在線測量，因此，本系統(tǒng)采用了內(nèi)阻法測量剩余容量。

3.2 內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的實施方案

內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的具體實施方法是：首先將蓄電池充滿電（以2V蓄電池為例，充電至2.35V，浮沖電流至10mA），然后以0.1C的放電率對電池放電，記錄下放電過程中內(nèi)阻與電量的大小。當蓄電池放電完畢后（2V蓄電池放電至1.75V）即可獲得完整的放電曲線，即剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間的關(guān)系。將此曲線存入EPROM中，在以后測試同型號同規(guī)格的電池時，單片機根據(jù)在線測到的電池內(nèi)阻值，通過查表計算，得出其剩余電量值。因此，此種方法的關(guān)鍵在于如何在線測得蓄電池的內(nèi)阻，其測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定的交流音頻電流源Is，然后檢測電池端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角 θ。顯然三者之間的關(guān)系為
，以及 ，R即為我們所要獲取的電池內(nèi)阻值。其具體實現(xiàn)方案如圖3所示：

圖3　內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的實現(xiàn)
其中300Hz信號發(fā)生電路由14位二進制串行計數(shù)/分頻器CD4060以及低通濾波電路組成，具體電路如圖4所示。恒流功放部分采用功率可達4W的音頻功率放大器，具體的使用可參見文獻[3]。
圖4　300Hz信號發(fā)生電路
4 蓄電池單體電壓的測量

《通信電源與空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求》中規(guī)定蓄電池檢測裝置必須測量每只蓄電池的單體電壓。由于蓄電池串聯(lián)起來為通信設(shè)備供電，每只蓄電池對地的電位都不相同，其最高的共模電壓可達60V，對于一般的多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器來說，難以承受。因此，要對其進行測試，首先必須對浮地信號做共地處理或采取隔離措施。傳統(tǒng)的比較成熟的測試方法是用繼電器和大的電解電容做隔離處理，基本原理如圖5 所示。

圖5　傳統(tǒng)的單體電壓測試方法
其基本的測試原理是：首先將繼電器閉合到A區(qū)，對電解電容充電；等到需要測該蓄電池的電壓時，把繼電器閉合到B區(qū)，將電解電容和蓄電池隔離開來，由于電解電容保持有該蓄電池的電壓信號，因此，測試部分只需測電解電容上的電壓，即可得到相應(yīng)的蓄電池電壓。這種方法無需采用線性光隔離等比較昂貴的器件，具有原理簡單、造價低的優(yōu)點。但是由于繼電器存在著機械動作慢，使用壽命低等缺陷，實踐證明，根據(jù)這一原理實現(xiàn)的檢測裝置在速度、使用壽命、工作的可靠性方面都難以令人滿意。
4.1 硬件直接相減的方法的實現(xiàn)

硬件直接相減法的思想來源于數(shù)學上減法的概念。試想，如果用高差模增益的運放將蓄電池上的高電位按比例壓縮，即：首先將n號蓄電池的高端電位按照Rn1/Rn2的比例壓縮至模擬電子開關(guān)可以承受的程度，測量得到壓縮后的電壓值，然后由軟件將壓縮系數(shù)乘回去，即可得到n號蓄電池的高端電位,同理可得到第n號蓄電池的低端電位，然后通過軟件將兩者相減，即可得到第n號蓄電池的單體電壓。從理論上分析這種方法是可行的，但在實際中卻難以實現(xiàn)。比如，40V的電位，通過測試精度為0.1%的測試系統(tǒng)，其絕對誤差為±40mv，而38V的電位，通過同樣測試精度的系統(tǒng)，其絕對誤差為±38mv，兩者之間的絕對誤差累積為±78mv，顯然，其相對誤差可達到8%，這遠遠難以達到通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中的要求。因此，這種減法器的方法在工程上是不可能實現(xiàn)的，但其思想?yún)s十分具有參考價值：如果能夠解決誤差的連續(xù)累積問題，就有可能得到滿意精度的測量結(jié)果。為此我們用兩片高差模增益放大器設(shè)計了一種硬件直接相減的電路，其原理電路如圖6所示。

圖6　采用硬件直接相減法測量單體電壓的電路
圖6中，ICL7650是差模增益高達105/mV的運算放大器，從而能夠保證運算放大器的同相輸入端和反相輸入端的電位相等，都等于地電位。Rnp為保證運算放大器工作的平衡電阻。Vna為n號蓄電池的高端電位，Vnb為n號蓄電池的低端電位。
其基本原理如下：運算放大器A構(gòu)成了一個反向放大器，即：
（1）

運算放大器B構(gòu)成一個加法器，即：
（2）
由式（2）可以看出，只要合理的選擇Rn1、Rn2、Rn3、Rn4和Rn5的阻值，使其滿足條件：

，即 （3）
則式（2）可以化為：
（4）

從而實現(xiàn)了硬件的直接相減，避免了誤差的累積。

4.2 元件參數(shù)的選擇

通信用蓄電池通常由24節(jié)單體電壓為2V的蓄電池組構(gòu)成。其最高的共模電壓可達60V左右，要將其移到2V左右的對地電壓，并保證運算放大器的工作安全性。因此
的值選擇在25~35之間比較合適，考慮到電阻的熱穩(wěn)定性等其他因素，在這里我們選擇Rn2、Rn3的電阻值為1.5kΩ,Rn1、Rn4和Rn5選擇為50kΩ,同時由于在這個數(shù)量級的電阻難以保證較高的精度，因此應(yīng)加入5kΩ的電位計加以調(diào)整。

5 蓄電池單體溫度的測量

蓄電池體的溫度是VRLA蓄電池的重要標志參數(shù)，對于蓄電池的剩余容量、工作壽命都有著重要的影響。蓄電池體溫度的測量我們采用了Dallas公司的數(shù)字式溫度傳感器DS1620，它具有測溫范圍寬、讀數(shù)穩(wěn)定、與單片機接口方便等優(yōu)點，其測溫分辨率可達到0.50C,如果經(jīng)過軟件調(diào)整，還可以達到更高的精度0.10C，對于蓄電池單體電池溫度的測量來說，十分適用。DS1620的結(jié)構(gòu)及其測溫原理可參考文獻[6]，在此不再作具體的詳述。下文僅對軟件實現(xiàn)0.10C精度的方法加以說明。

5.1 測溫原理的進一步分析

要獲得較高的測溫方案，除了需要知道由DS1620直接讀取的溫度值以外，還必須知道該溫度下計數(shù)器的值和該溫度下每增加10C的計數(shù)值，后者可以從非線性累加器讀入。非線性累加器電路用以補償溫度振蕩器的非線性作用，它有助于獲得較高的測溫精度。
用單片機控制DS1620，將經(jīng)過修正的溫度直接讀取值轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)（以0.50C為單位），記為temp_read。同時，讀取計數(shù)門關(guān)閉后保存在計數(shù)器中的值，記為count_remain.然后讀取非線性累加器中的值，作為該溫度下每攝氏度的計數(shù)值，記為count_per_c。以上幾個參數(shù)確定以后，可以用下式計算得到精度為0.10C的實際溫度T，即：
（5）


5.2 軟件方法實現(xiàn)0.10C的測溫分辨率

根據(jù)以上的分析，通過軟件編程，即可用單片機控制DS1620實現(xiàn)0.10C的測溫分辨率，其軟件流程圖如圖7所示。

圖7　實現(xiàn)0.10C的測溫分辨率程序流程
其具體的實現(xiàn)過程如下：
（1） 發(fā)送“寫配置”指令初始化DS1620，將其設(shè)置為單次溫度轉(zhuǎn)換方式以及處理器控制狀態(tài)，指令為0CH、03H；
（2） 發(fā)“開始轉(zhuǎn)化”指令（EEH）；
（3） 發(fā)“讀配置”指令，讀取狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)。重復該指令直到DONE位為“1”，這意味著溫度轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成；
（4） 發(fā)“讀取溫度”指令，從溫度寄存器讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為整數(shù)temp_read；
（5） 發(fā)“讀計數(shù)器”指令，從計數(shù)器讀取9比特值，即count_remain；
（6） 將非線性累加器中的值讀入計數(shù)器，此時外部單元與DS1620無數(shù)據(jù)交換；
（7） 重發(fā)“讀計數(shù)器”指令，讀取此時計數(shù)器的值，即count_per_c；
（8） 由公式（5-10）計算得到精確的溫度值。

6 實驗結(jié)果

在以下實驗結(jié)果中，各種電量的測試采用的標準源及檢定裝置為ST-9020電能表現(xiàn)場檢測儀（0.01）級；測試用蓄電池為南都公司的GFM200，并將其在額定負載情況下以0.1C的放電率恒流放電所得到的容量作為標準容量；測試環(huán)境溫度均為240C。蓄電池剩余容量測試結(jié)果如表1所示；蓄電池單體電壓測試結(jié)果如表2所示。
表1　蓄電池剩余容量測試結(jié)果表2　蓄電池單體電壓測試結(jié)果
從以上的測試結(jié)果可以看出系統(tǒng)具有較高的測量精度，完全可以滿足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定。從而證明了本文所提出的本地用通信電源集中監(jiān)控系統(tǒng)中蓄電池監(jiān)控模塊設(shè)計方案的可行性，具有工程實用價值。

參考文獻

[1] 鄭偉，通信用蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法[J]，南京郵電學院學報，1997，3.
[2] 高明裕，蓄電池剩余容量在線測試[J]，電測與儀表，2000，9.
[3] 李廣第，單片機基礎(chǔ)[Ｍ]，北京航空航天大學出版社，1996.
[4] YDN023—1996，通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求及通信協(xié)議[S].
[5] 劉希禹，通信電源與空調(diào)及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)[Ｍ]，北京人民郵電出版社，1999.
[6] 陳汝全，電子技術(shù)常用器件應(yīng)用手冊[J]，北京機械工業(yè)出版社，2001.