新型Trojan蓄电池邱健电瓶组充放电监控系统设计

摘要：本文分析了铅酸电池的工作机理，分析了蓄电池组充放电监控系统的设计原理和控制指标，搭建了基于抗积分饱和PI铅酸蓄电池充放电监测系统。通过对比分析，本文所提的新型蓄电池充放电监测系统具有一定的推广价值。

关键词：充放电；监控系统；蓄电池

Abstract

In this paper, the working mechanism of lead-acid battery is analyzed, the design principle and control index of battery charge and discharge monitoring system are analyzed, and the charge and discharge monitoring system of lead-acid battery based on anti integral saturation Pi is established. Through comparative analysis, the new battery charge and discharge monitoring system proposed in this paper has certain popularization value.

Key words: charge and discharge; monitoring system; Battery

引言

在变配电所的直流系统中，蓄电池作为储能电源作用十分重要。其主要功能是为变配电所二次系统直流电提供保障，避免所亭二次系统失电，从而使变电所运行更加安全可靠，对供电系统的安全运行具有重要的意义。蓄电池广泛应用于轨道交通、电力电网等各个领域，蓄电池已成为各类供电系统工程中关键组成部件之一。蓄电池的使用年限和寿命受到包括使用环境、材质、结构特性、充放电方式、管理方式等因素影响。而蓄电池的充放电方式是影响蓄电池使用寿命的关键因素。蓄电池在使用过程中大部分时间处于充电状态，充电方式下对蓄电池的影响大于放电过程。电池组经过多次充电、放电过程后，各个单体电池的电压值差别较大，导致蓄电池组输出电压降低，会对整个蓄电池组造成损坏，影响供电系统的安全运行。因此在运行过程中，需要提高蓄电池的生产工艺，减小各单体蓄电池的电压误差[1]。

由于蓄电池的可靠运行对电力系统的运行影响较大，许多制造企业采用监控设备来实时监测蓄电池的电压、电流、温度、充放电数据等各类参数，从而确保蓄电池的正常运行。应用蓄电池监控设备后，检修维护人员可以实时查看设备运行状态，蓄电池出现鼓包、电压损坏等故障时，可以立即处理，防患于未然[2-3]。

本文通过分析铅酸蓄电池充放电的监测控制方案，提出了一种抗积分饱和PI算法对蓄电池的充放电过程进行监控，监控系统设计采用模块化设计，分别完成对充放电软件设计和硬件设计，最后对系统软硬件进行测试和分析。

二、充放电控制系统设计

本文以高铁牵引变电所的蓄电池柜为背景，研究设计一种新型蓄电池组智能在线监测设备，集在线充放电控制、温度监控、电压、电流远程监控等功能于一体。图 1为蓄电池充放电控制系统图，主要包括蓄电池电压、电流、温度检测模块、充电控制模块、放电控制模块、充放电设备、通信模块等，主要用以完成对蓄电池充放电进行监测和控制。本监测系统由蓄电池样本数据的采集模块、中央处理系统、通讯模块构成：

 

图1 蓄电池充放电控制系统图

 

1、数据采集模块

数据采集模块采集蓄电池充放电电压、单体蓄电池电压、内阻、环境温度等参数数据，将数据进行数字信号转换，转换后将数字量送到控制板的中央处理单元。本次设计主要采集以下电压、电流、温度和蓄电池内阻等四种模拟量。

2、中央处理单元

中央处理模块是蓄电池监控系统的核心，它的主要作用是将采集到的电压、电流、温度和蓄电池内阻等四种模拟量进行计算，通过通讯模块传递给监控模块（上位机）。通过监控系统显示实时数据。本监控系统采用TI公司处理器，该芯片含有16 路 12 位精度的 A/D 采样端口，数据处理速度快，能够实现串口通信，满足对蓄电池组充放电状态的实时监测和控制。

3、通讯模块

中央处理单元通过通讯模块将采集信号传递给上位机。上位机通过数据处理可以实时控制充放电过程变化。通讯模块通过串口通信实现PC端和触摸屏控制，实时远程监控，并且可以实时查看历史数据。

二、充放电控制电路设计

铅酸电池在充电过程中主要设置以均流充电（通常设置为6A），否则，以大电流充电会损害蓄电池，降低使用寿命。在放电过程中，设置蓄电池放电模式为恒流放电，当电压减小到2V时，停止放电。本设计在充放电过程中通过引入PI调节控制算法，由于蓄电池的充放电过程主要是以恒压或者恒流为基础，通过调用PI调节模块，将充放电电压电流输出值稳定在预设值。通过引入抗积分饱和算法，当充放电过程输出控制量超出控制量后进入饱和区，从而保证电压和电流控制量不出现过大或过小。抗积分饱和PI算法如下：

 （1）

 （2）

 （3）

式中， 为积分和值， 抗积分饱和的输出值， 为PI比例系数， 为PI积分系数， 为抗积分饱和系数。

整体设计流程如下：通过引入抗积分饱和PI算法对铅酸电池恒流恒压充放电控制。充电控制程序对电池进行预充电，控制电流避免过大，在充电过程中对环境温度进行监测并进行温度补偿。根据充电过程中电压和电流变化实时调节进行恒压恒流充电。同时设计当遇到电池组存在过压、过流等现象，通过抗积分饱和PI算法进行饱和调节，并给予电压控制PWM占空比控制调节充电电压。充电过程中对SOC进行实时监测。

电池放电过程中实时监测电压、电流和温度的监测，根据放电时间和电流对SOC进行监测和估算，防止出现过放电现象。图1为充电控制流程图，图2为放电控制流程图。

 

图2 充电控制流程图

图3 充电控制流程图

 

3. 实验测试

蓄电池在线监测系统在各模块完成软硬件设计之后，搭建设备进行设备分析，完成系统整体测试，重点监测充放电的过程显示蓄电池组的运行状态。搭建硬件重点包括时钟/存储接口、温度检测接口、RS485 通信接口、电压检测接口、充电输入接口等接口。单个充放电监测控制模块主要包括12V20AH蓄电池组。充放电监控模块、24V直流电源等。充放电监控模块主要完成对蓄电池充放电过程中的温度、电压和电流、电量等数据进行全程监控。为了保证监测的准确性，要求蓄电池单体电压的采集精度为±50mV。以蓄电池的采集监测电压和人工测量为例进行比对，通过表1验证采集数据的准确性。

 

表1 电压监测数据

充放电过程	序号	监测电压（V）	人工测量电压（V）	误差
充电过程	1	13.12	13.12	0
	2	13.23	13.24	0.01
	3	13.28	13.27	0.01
放电过程	1	11.56	11.54	0.02
	2	10.98	10.99	0.01
	3	11.21	11.20	0.01

 

 

通过表1分析，蓄电池在充放电过程中对电压进行监测比对，设计的监控系统采集实时电压值与人工测量数据误差小，说明系统监测的数据真确度高，与实际误差值小，同时通过数据观察采集数据比较稳定。 在监测系统通过提供数据显示、报警、信号上传等功能，可以进一步提高系统的实用性，减小维护人员的工作量，提高所亭运行的安全性。

3. 结论

本文提出了基于抗积分饱和PI铅酸蓄电池充放电监测系统，以电压检测为例对系统采集和人工测量的误差进行了比对，通过比对结果表明所设计的蓄电池充放电监测系统能够准确地对蓄电池进行检测与控制。铅酸蓄电池充放电监测控制系统涉及多学科多领域，本文蓄电池充放电监测控制系统对现有的监控系统进行了改进，提高了铅酸蓄电池充放电监测控制的精度。通过展望未来，大数据和5G时代背景下对变配电所亭的监控能够做到统一管理和精细化关系，能够实现包括蓄电池在内的所亭设备的信息化和智能化管理，为设备维护提供预测和决策手段[4]。