郝金玉，王 偉

應(yīng)用研究

蓄電池組壽命估算系統(tǒng)的研究與開發(fā)

郝金玉1，王 偉2

（1. 海軍駐大連地區(qū)第一軍事代表室，遼寧大連 111600；2. 中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

本文介紹了通過假定周期估算電池組壽命的方法，開發(fā)了蓄電池組壽命估算系統(tǒng)，對其功能、結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析與論述。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)內(nèi)主回路測量模塊和監(jiān)控主機(jī)的架構(gòu)、軟硬件設(shè)計方案，以及假定周期的計算和校準(zhǔn)算法。設(shè)計成果可應(yīng)用于船舶動力蓄電池組的在線監(jiān)測和智能診斷。

蓄電池壽命 假定周期 蓄電池組電壓測量 蓄電池組電流測量

0 引言

常用蓄電池的循環(huán)周期數(shù)來指代蓄電池壽命[1]。在實際應(yīng)用中，通常不會把蓄電池組的容量完全放光才開始充電，而是消耗了一定電量后即進(jìn)行補(bǔ)充充電。為了在實用中能估算蓄電池的壽命，引入了假定周期的概念，當(dāng)充電或放電容量累計達(dá)一定值時，等同于蓄電池進(jìn)行了一次完整的充放電循環(huán)。通過測量蓄電池組的充、放電累積量，就能計算其假定周期數(shù)，從而估算蓄電池的剩余壽命。

1 蓄電池組壽命估算系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)的目的是對蓄電池組使用壽命的情況進(jìn)行估算和顯示，主要實施手段是實時檢測并記錄蓄電池組的電壓、充放電電流等參數(shù)，根據(jù)有關(guān)算法計算充放電安時、假定周期，并用于估算蓄電池組的壽命情況。

圖1 蓄電池組壽命估算系統(tǒng)架構(gòu)圖

系統(tǒng)分為主回路測量模塊和監(jiān)控主機(jī)，如圖1所示。測量模塊用于對每組蓄電池的電壓、電流進(jìn)行檢測，對電池組的充放電狀態(tài)進(jìn)行判斷，并計算電池組當(dāng)前的充放電安時數(shù)。監(jiān)控主機(jī)通過CAN總線接收各測量模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，計算每組蓄電池的假定周期，并具有對各參數(shù)顯示、存儲與校準(zhǔn)的功能。監(jiān)控主機(jī)可通過以太網(wǎng)或CAN總線等通訊接口發(fā)送監(jiān)控數(shù)據(jù)或接收校準(zhǔn)指令，與單體蓄電池的在線監(jiān)測裝置等其它設(shè)備共同構(gòu)成全船自動化監(jiān)控系統(tǒng)[2]。

2 主回路測量模塊設(shè)計

主回路測量模塊具有的功能，首先是對蓄電池組的直流電壓、電流進(jìn)行調(diào)理和隔離，轉(zhuǎn)化為與AD采集能力相匹配的電平信號，然后微處理器控制AD采集并計算蓄電池組電壓、電流、充放電狀態(tài)與安時，最后微處理器操作CAN通信接口向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送檢測結(jié)果。

測量模塊的檢測范圍須與蓄電池組的輸出能力匹配，本文以單組最大輸出電壓1000 V，最大電流10000 A的船舶動力系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計。

2.1 硬件設(shè)計

測量模塊的硬件分電源、分壓電路、分流電路、電壓隔離運放、電流隔離運放、AD采樣、微處理器、存儲器、通訊電路等部分，如圖2。

圖2 主回路測量模塊電路設(shè)計

電源電路輸入24 V，輸出有±15 V和5 V，其中±15 V用于隔離放大和AD采樣，5 V用于微處理器和通訊運行。

分壓電路通過串聯(lián)的電阻R1和R2將蓄電池組電壓進(jìn)行衰減輸出。電路的輸入是蓄電池組的正極和負(fù)極，R1應(yīng)為1 MΩ以上。電路的輸出接隔離放大器，為了與AD采樣電路匹配，最大輸出電壓應(yīng)為5～10 V，且為保證測量精度，R2應(yīng)小于50 kΩ?？蛇x擇R1為3.5 MΩ，R2為30 kΩ，蓄電池組輸出1000 V時，分壓輸出8.498 V。

分流電路包括分流器和信號放大兩部分。分流器是測量直流電的儀器，具有固定的電阻，串聯(lián)在直流母排上，電流通過時，其輸出的端子間產(chǎn)生壓降。選擇合適的分流器，放電10000 A時輸出電壓100 mV，充電2000 A時輸出電壓-20 mV[3]。分流器輸出的是毫伏級信號，若直接通過隔離運放轉(zhuǎn)換為幅值5～10 V的信號會導(dǎo)致干擾和電路偏差也被放大，經(jīng)試驗證明檢測精度誤差較大。因此，本分流電路設(shè)計了一級信號放大，通過低功耗高精度的通用儀表放大器，先將毫伏信號放大，再輸入隔離運放，可大幅提高電流的檢測精度。

隔離運放電路的功能是對蓄電池組的主回路和控制電路進(jìn)行隔離，確保AD采樣、微處理器等控制電路不受電力系統(tǒng)的電磁干擾，同時電壓、電流信號又能不失真地傳輸至控制回路[4]。設(shè)計2路隔離運放，前端輸入分別是分壓電路，分流電路，后端輸出是AD采樣電路。選用AD277隔離運算放大器，隔離等級3000 V，放大倍數(shù)設(shè)計為1倍。

AD采樣芯片選用AD7606，支持對±10 V的模擬輸入信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣分辨率16位，每個通道的采樣速率為200 K/s，測量結(jié)果通過SPI總線與微處理器連接。微處理器選用STM32系列ARM處理器，工作主頻設(shè)置為72 MHz。存儲器采用鐵電存儲介質(zhì)，由于測量模塊讀取數(shù)據(jù)次數(shù)少，寫入次數(shù)較多，相比于E2ROM等器件，鐵電存儲器的壽命內(nèi)可擦寫次數(shù)更多，完全滿足測量模塊要求。通訊電路使用標(biāo)準(zhǔn)的隔離CAN通信模塊，隔離等級2000 V。

2.2 軟件設(shè)計

主回路測量模塊軟件使用C語言編寫，通過AD芯片，采樣并計算蓄電池組的電壓、電流、充放電狀態(tài)和安時等參數(shù)。軟件通過數(shù)字濾波對AD采樣的組電壓、組電流等信息進(jìn)行平滑處理，濾除高頻噪聲的干擾，穩(wěn)定采樣結(jié)果。軟件還具有安時數(shù)據(jù)的存儲和讀取功能。測量程序的流程如圖3所示。

電壓的測量方法如下，軟件通過SPI總線持續(xù)讀取AD芯片的蓄電池組電壓信號通道，對100 ms內(nèi)采集的大量電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，使電壓測量值穩(wěn)定、準(zhǔn)確，再根據(jù)硬件電路分壓與放大的倍數(shù)，計算蓄電池組的測量電壓。輸出結(jié)果的范圍是0～1000 V，分辨率0.1 V。

電流的測量方法與電壓類似，軟件通過SPI總線持續(xù)讀取AD芯片的蓄電池組電流信號通道，對100 ms內(nèi)采集的大量電流數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，并根據(jù)硬件電路分流與放大的倍數(shù)，計算流過蓄電池組母排的電流。測量結(jié)果為正代表放電，為負(fù)代表充電，輸出范圍是-10000 A～10000 A，分辨率1 A。

安時的計算通過定時器中斷實現(xiàn)，微處理器的主頻是72 MHz，定時器計數(shù)設(shè)置為3.6×107，每過0.5 s，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，此時軟件讀取最新的電流測量結(jié)果，若測量結(jié)果為正，則對放電安時進(jìn)行累加，計算方法：新放電安時= 原放電安時+ 電流幅值× 0.5 ÷ 3600

圖3 主回路測量模塊軟件流程圖

若電流測量值為負(fù)，則對充電安時進(jìn)行累加。每進(jìn)入中斷服務(wù)程序120次，即一分鐘，軟件將當(dāng)前充、放電安時信息寫入存儲器，以防止系統(tǒng)斷電丟失數(shù)據(jù)。每次模塊重新上電后，軟件都會首先從存儲器讀取安時數(shù)據(jù)，再開始參數(shù)測量。

軟件操作CAN接口定時向監(jiān)控主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，包括蓄電池組電壓、電流、充電安時、放電安時，以及蓄電池組的編號。

3 監(jiān)控主機(jī)設(shè)計

監(jiān)控主機(jī)采用工業(yè)計算機(jī)，須具有CAN通信接口，以太網(wǎng)口，運行國產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)，軟件編程環(huán)境為Qt，數(shù)據(jù)庫MySQL[5]。

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

監(jiān)控主機(jī)軟件主要完成數(shù)據(jù)接收、處理、顯示、存儲、查詢、導(dǎo)出，以及參數(shù)讀取、設(shè)置、校準(zhǔn)等功能。程序由三個線程組成。主線程實現(xiàn)假定周期計算、報警判斷、假定周期校準(zhǔn)、界面數(shù)據(jù)刷新顯示等功能，顯示的數(shù)據(jù)包括各組蓄電池的電壓、電流、充放電狀態(tài)、安時、假定周期、報警信息。信號發(fā)送接收線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。數(shù)據(jù)庫線程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出。三個線程在初始化后并行運行，可有效提高程序的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度。

3.2 假定周期計算與校準(zhǔn)

蓄電池組在實際使用中，壽命的損耗情況可以用假定周期來表征。以船舶用的動力鉛酸蓄電池為例，假定周期計算公式如下：

式中為假定周期數(shù)（次）；為充入總電量（Ah），由系統(tǒng)中的主回路測量模塊獲??；C3為3 h率的額定容量（Ah），是反映蓄電池額定容量的固定參數(shù)，由蓄電池生產(chǎn)廠家提供[6]。

考慮到蓄電池在充電工作時未開啟主回路測量模塊，或者蓄電池組在未安裝本壽命估算系統(tǒng)前已經(jīng)使用若干周期等情況，為反映蓄電池的真實壽命，可通過人機(jī)界面進(jìn)行假定周期的手動校準(zhǔn)。校準(zhǔn)方式之一是直接對假定周期數(shù)進(jìn)行增減，通過人機(jī)界面輸入后直接生效。方式之二是對充電安時數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，例如某日蓄電池組以800 A恒電流充電3 h，充入能量累計2400 Ah，由于操作失誤未開啟測量模塊電源導(dǎo)致累計安時數(shù)據(jù)失真，可在開啟測量模塊后，通過人機(jī)界面輸入需校準(zhǔn)的安時數(shù)，監(jiān)控主機(jī)軟件通過CAN總線發(fā)送校準(zhǔn)指令對測量模塊存儲的安時數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

4 結(jié)論

通過對蓄電池組壽命估算方法和裝置的研究，設(shè)計了主回路測量模塊和監(jiān)控主機(jī)，運用CAN通信網(wǎng)絡(luò)組建了蓄電池組壽命估算系統(tǒng)。系統(tǒng)具有檢測并呈現(xiàn)蓄電池組工作狀態(tài)和假定周期的功能，并且可對假定周期數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，能準(zhǔn)確估算蓄電池組的壽命損耗情況，對動力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行有重大意義。

[1] 朱松然. 蓄電池手冊[M]. 天津: 天津大學(xué)出版社, 1998.

[2] 劉昊, 黃凌, 樊霈. 一種船用蓄電池監(jiān)測器的低功耗設(shè)計[J]. 船電技術(shù), 2019, 39(9): 18-22.

[3] 羅穎, 謝小軍, 朱才溢, 宋健. 大電流檢測技術(shù)探討[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量, 2020(3): 32-34.

[4] 趙紅強(qiáng), 徐建源. 模擬信號隔離技術(shù)用于高壓電器監(jiān)測[J]. 電氣時代, 2005(2): 72-75.

[5] 李峰. 基于國產(chǎn)平臺的工控組態(tài)軟件的設(shè)計[D]. 太原: 中北大學(xué), 2019.

[6] 彭澎, 司鳳榮. 船用長壽命鉛酸蓄電池研究[J]. 船電技術(shù), 2013, 33(1): 28-30.

Research and Design of Battery Life Cycle Estimation System

Hao Jinyu1, Wang Wei2

(1. No.1 Navy Force Representative Bureau in Dalian, Dalian 1116000, Liaoning, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

TM612

A

1003-4862（2021）02-0032-03

2020-09-07

郝金玉（1979-）,男，工程師。研究方向：船舶工程。E-mail: csic712cy@163.com