毛君龍，徐丙垠，陳文鋼，趙艷雷

(山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255000 )

閥控式鉛酸(VRLA)電池作為饋線自動化終端(FTU)的后備電源，起著儲存電能、維持FTU正常運行的作用[1]。FTU采用的VRLA電池組，具有電壓穩(wěn)定和密封性好等優(yōu)點。在實際生產(chǎn)過程中，若FTU設備的庫存時間較長，會造成電池電量虧損、電壓下降，進而出現(xiàn)后備電池組過放電到截止電壓的情況。如何快速、準確地檢測出長期擱置的FTU后備電池組中是否存在失效電池，是研究的重點。目前，國內(nèi)外對VRLA電池的研究，集中在壽命的預測及日常維護等方面，而電池可用性的快速檢測，是困擾設備廠家的一個問題。

本文作者搭建電池組可用性快速檢測系統(tǒng)，對組裝的電池組進行測試，獲得并分析實驗數(shù)據(jù)，得到可靠的結果判定，幫助企業(yè)和用戶對電池性能進行快速評估和區(qū)分。

1 VRLA電池電壓檢測分析

1.1 VRLA電池工作原理與失效原因

VRLA電池主要由外殼、隔板、電解液槽、槽接點、安全閥、極板和電解液等組成，二氧化鉛(PbO2)和鉛(Pb)分別作為正、負極活性物質(zhì)，稀硫酸(H2SO4)作為電解液。

FTU在倉庫中長期處于閑置狀態(tài)，后備電池組端電壓下降的主要原因是自放電[2]。在此過程中，會出現(xiàn)正負極材料從極片上脫落、極板被電解液腐蝕和電池殼體滲水等現(xiàn)象，進一步加速電池的放電與老化，甚至可能導致電池組完全損壞。這就需要通過相應方法對電池組的可用性進行檢測。

1.2 FTU后備鉛酸電池組檢測判定

目前對后備電池組可用性的檢測，只是對比電池組的端電壓與系統(tǒng)設定的電壓閾值。若高于閾值，判定電池組可用；反之，則判定電池組失效。這就經(jīng)常出現(xiàn)完好的電池組因長期閑置而導致電能過少和電壓過低，在FTU設備上電時產(chǎn)生錯誤判斷，誤報故障，進而將好的電池組誤判為失效電池組的問題。在實際使用時，較低的端電壓并不意味著該電池組已失效或損壞，部分電池可通過充電再次激活，重新使用。有必要在設備上電時，通過對電池組進行短時間的充放電，采集數(shù)據(jù)進行分析處理，來對長期未啟用或放置過久鉛酸電池組的可用性進行快速檢測，避免誤判。

2 電池可用性快速檢測系統(tǒng)

2.1 檢測系統(tǒng)方案與策略

實驗選取大量同一批次長期閑置(閑置時間16個月)在倉庫中的BT-12M7.0AT型FTU后備電池組(泉州產(chǎn)，批號P26M1014S09)，對其中的失效電池單體以及完好的電池單體進行編號分類，并重新組裝電池組，其中部分不含失效電池單體，部分含有數(shù)量不等的失效電池單體。搭建電池組可用性快速檢測系統(tǒng)，對組裝的電池組進行測試，分析結果，從而進一步完善檢測系統(tǒng)，提高檢測的精度與速度。

FTU后備鉛酸電池檢測系統(tǒng)采用STM32型32位系列微控制器單片機(深圳產(chǎn))，配合16位高速模數(shù)轉換器(ADC，深圳產(chǎn))采集芯片。被測電池的電壓最高可達54 V，而ADC模塊最高只可處理5 V的電壓信號，需進行分壓，以實現(xiàn)對電壓的實時測量。在電池正、負極兩側并聯(lián)電路，通過電阻分壓，等比例調(diào)整，即可獲得電池兩端的實際電壓。

采集過程中，將實時采集的數(shù)據(jù)同步存入安全數(shù)字(SD)卡中，其中安全數(shù)字輸入輸出接口(SDIO)的控制代碼可設置為直接存儲器訪問(DMA)傳輸模式或輪詢模式，實驗時裝置使用DMA傳輸模式，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。

實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集過程如圖1所示。

圖1 電池可用性快速檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集圖

首先對電池組進行短時充電，利用內(nèi)部分壓電路將分壓數(shù)據(jù)傳遞給模數(shù)轉換電路。模擬信號轉換為數(shù)字信號，一般分為采樣、保持、量化和編碼等4個步驟。用ADS1115模數(shù)轉換器(深圳產(chǎn)，16位高精度)采集電壓數(shù)據(jù)，每100 ms采樣一次，充電時間為1 min，共計采樣600個點，實現(xiàn)電壓數(shù)據(jù)的實時采集和處理?？紤]到配電終端設備FTU運行過程中會產(chǎn)生具有高頻震蕩、周期性等特點的干擾信號，在采集數(shù)據(jù)的過程中對數(shù)據(jù)進行實時濾波。將采集的數(shù)據(jù)生成相應的曲線，利用巴特沃斯低通濾波器對曲線進行處理，使曲線看起來更直觀、立體，避免因數(shù)據(jù)誤差產(chǎn)生錯誤判斷。

電池可用性快速檢測系統(tǒng)檢測策略表如表1所示。

表1 電池可用性快速檢測系統(tǒng)檢測策略表

2.2 檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理

在實時采集電池端電壓數(shù)據(jù)的過程中，影響數(shù)據(jù)采樣精度的因素有：①互感器轉換精度的限制；②內(nèi)部電磁噪聲的影響；③ADC參考電源的電壓精度。實驗時，通過對數(shù)據(jù)進行預濾波處理，提高采樣數(shù)據(jù)的準確性，減小信號的波動。鑒于干擾信號具有高頻震蕩、周期性的特點，選用遞推平均濾波對所采集的實時數(shù)據(jù)進行預濾波處理。

數(shù)據(jù)處理過程中，取數(shù)據(jù)隊列長度M=12，將連續(xù)采樣的電壓、電流數(shù)據(jù)依次存入隊列中，按照先進先出的原則，更新隊列數(shù)據(jù)，對隊列數(shù)據(jù)求取算數(shù)平均值，從而得到濾波后的電池端電壓數(shù)據(jù)，以削弱配電終端設備FTU的高頻振蕩及周期性干擾對互感器采樣的影響。

以電池端電壓為例，將連續(xù)采樣的12組端電壓信號存入E[12]數(shù)組中，即任意t時刻的電池端電壓為：

E[t]=(E[0]+…+E[11])/12

(1)

下一次采樣時，E[12]數(shù)組整體向左位移一位，即此前的E[0]舍棄，E[1]左移為E[0]，以此類推依次左移，最后一位E[12]存入采樣，此時采樣的電壓值為E[t]。濾波后的電池端電壓、電流數(shù)據(jù)更準確，排除了數(shù)據(jù)采集過程中可能因噪聲而造成的電池端電壓的瞬時激變，提高了數(shù)據(jù)的精度和準確性，也排除了數(shù)據(jù)采集過程中可能出現(xiàn)的偶然性。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 巴特沃斯低通濾波器處理實驗數(shù)據(jù)

對含有1只失效電池的FTU后備VRLA電池組進行檢測，利用電池檢測系統(tǒng)進行短時充電，并采集電壓數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)點(電壓值)繪制成一條曲線，如圖2所示。

圖2 電池組端電壓數(shù)據(jù)實時采集圖

從圖2可知，采集到的數(shù)據(jù)點有很大的噪聲，為了方便處理與分析，需要進行濾波。根據(jù)傅里葉變換理論可知，采集到的數(shù)字信號會存在噪聲干擾，表現(xiàn)為頻域中的高次諧波比重增加，致使時域信號的曲線不平滑、有毛刺，高次諧波的比重太大，還會嚴重干擾原本的時域信號。針對該問題，實驗在設計巴特沃斯低通濾波器時，對采集的數(shù)據(jù)進行降噪處理，且根據(jù)原始信號的特性，選擇濾波器參數(shù)N與Ωc[3]。只要求出了N與Ωc，就可求出濾波器的系統(tǒng)函數(shù)Ha(s)。

以軟件巴特沃斯低通濾波器為例，圖2數(shù)據(jù)為1 min采集的600個采樣點。采樣頻率為10 Hz，取N為5，得到巴特沃斯低通濾波器為：

(2)

式(2)中：p為歸一化參數(shù)；Ga(p)為模擬系統(tǒng)的歸一化系統(tǒng)函數(shù)。

為使濾波后的曲線更加平滑，令截止頻率為0.1 Hz，去歸一化后，得到巴特沃斯低通濾波器系統(tǒng)函數(shù)為：

(3)

式(3)中：s為拉氏變換中的復變量。

為進一步提升數(shù)字離散信號的濾波效果，采用雙線性變換法對由巴特沃斯濾波得到的歸一化函數(shù)進行處理。令：

(4)

式(4)中：T為采樣周期；z為Z變換的復變量。

令T=2s，代入式(3)，得到Ha(z)。經(jīng)過巴特沃斯低通濾波器后的信號，如圖3所示。

從圖3可知，經(jīng)過濾波后的電池組端電壓曲線，基本消除了噪聲，整體較為平滑。

圖3 巴特沃斯低通濾波器濾波后的電池組電壓

之后，分別對不含失效單體、含1只失效單體、含2只失效單體及含3只失效單體的FTU后備VRLA電池組進行短時充電，并獲得相應的電池電壓曲線，結果如圖4所示。

圖4 含不同失效單體的FTU后備鉛酸電池組的電壓

從圖4可知，含有失效單體的電池組，在第80個取樣點附近發(fā)生一個明顯的電壓躍變，之后，電池端電壓會緩慢上升，由于充電時間較短(1 min)，躍變后的端電壓變化量較小。不含失效單體的電池組，充電曲線平滑，不會出現(xiàn)端電壓躍變的情況，且端電壓的變化量也較小。

為進一步驗證實驗結論，隨機選取含有2只失效單體的電池組與不含失效單體的電池組進行對照實驗，結果見圖5。

圖5 含不同失效單體的電池組的電壓

從圖5可知，含有失效單體的電池組在前100個取樣點內(nèi)有明顯的電壓躍變，而不含失效單體的電池組，充電電壓曲線平滑。對電池組進行短時充電，若在所采集到的前100個點內(nèi)端電壓發(fā)生了約4～7 V的躍變，即U100-U0≥4 V(U100為第100個點的端電壓，U0為起始端電壓)，所得曲線會有一個階躍函數(shù)似的明顯躍變，但在躍變后變化平緩。這是由于失效后的電池近似一個大電阻，在充電時，失效電池會迅速達到滿電狀態(tài)，則此時判斷該電池組中存在1只失效電池。以此類推，當含2只失效單體時，端電壓會有8～14 V的躍變；當含3只失效單體時，端電壓會有15～20 V的躍變；若不含失效單體，端電壓曲線為一條平滑的曲線，不會躍變。

電池可用性快速檢測系統(tǒng)檢測結果統(tǒng)計表見表2。

表2 電池可用性快速檢測系統(tǒng)檢測結果

3.2 小波變換進行結果分析判定

由實驗數(shù)據(jù)處理結果可知，可利用躍變量檢測方法，根據(jù)端電壓曲線的躍變情況判定電池組的失效單體數(shù)量。目前躍變量檢測的方法有數(shù)學求導、奇異值分解(SVD)及小波變換等方法。數(shù)學求導的誤差較大，檢測速度較慢；SVD存在運算量大、計算時間慢等問題。小波變換具有運算速度快，理論基礎完善，可檢測非平穩(wěn)信號及更好地觀察信號的局部特性等優(yōu)點，得到廣泛的應用[4]。引入小波變換分析數(shù)據(jù)，并對濾波后的電壓躍變量進行檢測。

對任意信號f(x)∈L2(R)，小波變換為：

(5)

式(5)中：a、b分別為尺度參數(shù)及伸縮參數(shù)；x為時間序列；φ(x)為基本小波；wf為連續(xù)小波變換或者是小波變換；L2(R)為平方可積空間；φa(x)為db4小波(一種基本小波)。

為檢測電池端電壓的變化時刻，需要確定端電壓信號的躍變點。端電壓信號的躍變點即為小波變換的模極大值點，可通過小波分解來確定。假設原始信號θ(x)是低通光滑函數(shù)，積分為1，無窮時極限為0，則一階導數(shù)為：

(6)

(7)

(8)

信號f(x)在尺度a上的小波變換為：

wf(a,x)=f(x)×φa(x)

(9)

wf(a，x)就是在尺度a下信號平滑后的一階導數(shù)，wf(a，x)模極大值點對應電池端電壓信號的躍變點。

經(jīng)過小波變換后的檢測結果如圖6所示。

圖6 小波變換躍變量檢測結果

從圖6可知，可用小波變換在各個尺度上的模極大值點，代表電池端電壓信號的躍變點，來獲得準確的結果判定，排除偶然性。利用電池端電壓幅值躍變量對該組電池中失效單體的數(shù)量進行可靠判斷，可提高檢修的工作效率。

4 結論

在無需停電的狀態(tài)下，電池可用性快速檢測系統(tǒng)可對電池組進行短時充電，實時采集和存儲端電壓數(shù)據(jù)，及時捕獲電池組的電壓躍變。對數(shù)據(jù)進行濾波處理后，引入小波變換對端電壓曲線進行躍變量檢測分析，可根據(jù)電池組端電壓躍變的幅值大小，對電池組中可用電池及故障電池的數(shù)量進行分析判斷。利用小波變換進行躍變量檢測，可提高檢測精度和系統(tǒng)工作效率，避免因誤判而造成可用電池的浪費。