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1、摘 要铅酸蓄电池是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池,它所消耗的铅占全球总耗铅量的82%。我国铅酸蓄电池工业本世纪80 年代进入蓬勃发展时期,随着国民经济的发展,其市场将不断扩大,以汽车、摩托车及电力、通讯为主要对象。近年来,电动汽车等无烟交通工具的开发,会使铅蓄电池有更大的发展。蓄电池作为直流备用电源，对系统的安全可靠运行有非常重要的作用。蓄电池是保证直流不间断供电的基础，对蓄电他的维护在通信电源的技术维护工作中是非常重要的。正常情况下，让蓄电池处于充满而又不过充的状态，这样蓄电池失水率低，负极板析出的氢气少，在整流器一旦无输出时，可以保证蓄电他能够单独向主机供电一定时间。蓄电池组
2、作为备用电池 , 往往不允许电源有间断 , 因此对电池组的性能要求是比较高的。传统的对蓄电池端电压的测量依靠人工来进行 , 使用的是手持式数字万用表 , 这样既浪费时间 , 又浪费人力 , 而且测量过程中也难免引入人为误差。蓄电池是确保设备正常运行的最后一道生命线，一旦事故出现而蓄电池又不能正常工作，情况将不堪设想。由于缺乏必要的专业仪器仪表，使得对蓄电池组容量测试还停留在人工检测水平上，这是一项操作繁琐、工作量大，效率极低的工作，造成很多地方未能按照规程要求对蓄电池进行容量测试维护。为避免蓄电池在长期使用中因维护问题出现故障而引发事故带来经济损失，需对蓄电池进行实时在线监测和维护。要求电池组
3、中各单体电池都要处于良好状态（均匀性和一致性比较好），若发现一“只“落后”电池，就要进行处理，否则就会大大缩短蓄电池单独放电的时间。本文阐述了用于电力系统的蓄电池组的使用和维护原理, 结合电力系统对蓄电池监测和维护的实际要求，研究开发了蓄电池智能监控系统（BIMS）。本系统利用传感技术和光电耦合技术进行蓄电池数据采集, 通过对蓄电池组的单体电压、总电压、充放电电流、温度的监测来确定蓄电池组的运行状态，并且创新实现在线平衡单体蓄电池之间电压,对蓄电池组运行进行有效的维护，使蓄电池组的运行状态易于观测以最大的减少系统出现事故的可能性，并且使蓄电池组得到良好的维护，从而增加蓄电池组的使用寿命，达到节
4、约资源和环保的目的。本系统采用了以单片机STC12C5410AD为主控板控制核心，连接数个以STC12C5410AD为控制核心的平衡板进行数据采集和平衡蓄电池电压的软硬件设计，完成对所测量得到数据的整理、保存和对蓄电池组运行状况的分析,对整体蓄电池的监测与平衡维护，利用LCD来完成对所测量得到数据的显示。本文以电力系统使用最多的2V蓄电池组系统为例，详细介绍了2V蓄电池智能监控系统中由主控板和平衡板组成的执行系统的硬件组成原理和软件运行流程。经试验测试本系统能够精确的测量和显示蓄电池组的各项运行数据,并且能有效的平衡蓄电池组之间的电压，能够对蓄电池组进行有效的监测与维护。关键词: 蓄电池；监测
5、；维护；单片机；STC12C5410AD 1 引言1.1 研究目的及意义众所周知，铅酸蓄电池以其价格低廉、制造成本低，容量大，工艺简便、性能可靠和适应性强等诸多优势，已成为目前使用最广泛的化学电池之一。但是，若使用不当，其寿命将大大缩短。影响铅酸蓄电池寿命的因素很多，而采用正确的充电方式，能有效延长蓄电池的使用寿命。蓄电池作为稳定电源和主要的直流电源，历史悠久，使用广泛，与我们的社会生活息息相关。中国每年铅酸蓄电池产量高达3000万kWh、销售额高达80亿元，且年增长率达30%，在电信、金融、UPS、广电、电力、汽车、铁道、太阳能、风能等各行各业普遍应用。电池作为直流系统最后一道关口，如果听任
6、其长期处于状态不明的情况下运行，那么将存在严重隐患。随着时间的推移，电池使用年限的增加，由电池引起的中断事故将防不胜防。 近年来，通信电源系统因蓄电池故障造成通信中断的情况呈上升趋势，因蓄电池爆炸造成的恶性事故也发生过不止一次。2003年7月14日上海地铁1号线发生停运62分钟的事故，造成45万名乘客出行受到影响，其中主要原因之一就是蓄电池的过早老化，在触网恢复供电后列车逆变器无法工作。车辆出现亏电，造成事故影响时间拉长。而过早老化的原因就是因为：传统的蓄电池组管理方法。被誉为“人造天宫”的俄罗斯“和平”号空间站，曾与地面失去联系长达20多个小时，完全处于失控状态之中。后经查实，事故原因正是蓄
7、电池异常放电。2001年8月，电力系统某110kV变电所发生火灾，高压室严重烧毁。事后调查发现，当交流失压后，二次系统失去电源，保护装置无法动作，后经检查直流电源系统，发现有8只蓄电池的端电压几乎为零，这8只蓄电池内阻很大，直流无法输出，使事故扩大。直流电源装置中的关键设备是蓄电池组，事故暴露出运行人员在直流电源，尤其是蓄电池维护方面的欠缺，单体电池的电压和容量出现的不平衡现象没有得到及时处理，致使电池损坏，直流装置如同虚设。蓄电池平时是并联在整流设备上并处于浮充状态，时间一长，蓄电池就会出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、板板腐蚀及硫化等现象，从而导致蓄电池容量降低甚至失效。因此，合理可
8、靠地对电池进行管理和维护，保证电池有较长的使用寿命，从而达到保证设备拥有不间断电源是一件意义重大的事。所以，在电源系统的维护中，蓄电池的维护管理占据非常重要的位置。怎样才能延长蓄电池的寿命，保证蓄电池有足够的容量，充分发挥蓄电池作为后备电源的作用，确保通信、电力、应急等系统的正常运行？这对各个行业电源及后备电源维护有着非常重要的意义！为了保证通信电源安全、可靠地运行，本文从蓄电池在供电系统中起到的重要作用方面，应用智能化的监控的优越性，实现延长蓄电池的使用寿命以及能源再利用的环保，具体如下：1.维持个体蓄电池的最佳充电状态，从而保持蓄电池的最大容量；2.大大延长蓄电池的工作寿命，减少了资源浪费
9、和环境污染；3.在线巡测蓄电池组中个体蓄电池的电压、电流、温度等技术指标，同时实施提前报警，为各行业的最后生命线提供了强而有力的保障；4.智能化的管理，为整个电源系统实现无人职守的趋势奠定了基础。1.2 研究概况及发展趋势1.2.1国内研究概况随着科学技术的发展，特别是单片机和计算机在智能化控制方面的应用，以及在变电站自动化系统等方面研究的深入，关于蓄电池的自动化监测问题也提到日程上来。近几年以来，很多人开始研究蓄电池的自动化监测。蓄电池监测系统中，主要内容是对单电池电压的监测。其中，关于温度和电流的测量都属常规测量，而且在这些方面的测量技术都已成熟。在电压的测量方法上，对单个电压量的测量方法
10、非常简单。最关键的是如何测量电池组中串联在一起的单个蓄电池的电压。在解决如何测量单电池电压问题上，人们进行了大量的研究工作。有人提出用继电器来切换电池组中的每只电池。用触点式继电器切换的缺点是：体积大、成本高、寿命短、速度慢，且其电压值计算比较麻烦；有人提出另外一种方法：在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通，在模拟信号的转换上采用可编程定时器的V/F转换器。其中，在解决输入信号电压高于芯片的最大工作电压的问题上存在技术难点，且采用V/F转换作为A/D转换器。其缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。关于在线测量单只电池电压的方法，还有人提出用光电隔离器件和大电解电容器构成采样，
11、保持电路来测量蓄电池组中单只电池电压。此电路的缺点是：在A/D转换过程中，电容上的电压能发生变化，使其精度趋低，而且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟等因素，决定采样时间长等缺点。国内研制并投产的ZXJ24/2-1型蓄电池组智能监测仪，采用浮动地技术测量蓄电池组中各单电池电压，测量的参数还包括电池组电压、2路电流、2路温度。直流电源系统在线监测仪是以单片机为核心的智能仪器 , 它采样原理新颖、方法独特、测试精度高、可靠性好、性能价格比高。可对蓄电池组中每一只蓄电池实现在线监测 , 也可替代传统的人工标示电池测量以完成全体电池的自动测量、存储及打印。因而使用该仪器省时、省力还可提高测
12、量的准确度。它的广泛使用可大大提高蓄电池的维护效果 , 并可尽早发现电池的缺陷 ,以使其得到及时处理 ,达到延长电池寿命的目的。1.2.2国外研究概况美国BMS（Battery Monitoring System）蓄电池监测系统技术发展于电力应用工业。1989年，美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研究了无人值守场站PBWC铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。经过4年的研究与开发，耗资200万美元，于1994年完成样机的现场试验。测定的参数包括：电池组电压、单体电压、（浮充电）维持电流、电池内部温度、电池组环境温度、电解液比重、电解液液面高度以及电极利用情况等。其方法是采用安装在每一只电池上
13、的多传感器电池监测模块（叫“电池监测器”，是真空密封的）。这种模块通过光缆将状态数据传输到蓄电池组监测器，每一电池组监测器可监测256个单电池。远程控制中心通过MODEMS和公用电话线对电池组监测器进行监测，可监测的电池组监测器的数量不受限制。控制中心PC机能定期查询所有运行组的监测器，下载并处理储存的数据，存储和显示电池状态及其趋势的信息，能获得每一节电池的参数。其主要特征是运用特定传感器对电池组的每个电池进行独立监测。单电池电压的测量是使用传统的一个直接带有稳压的A/D转换器。电池组电压的测量是用一个与电池组连接的滑动变阻器和带有稳压参考的A/D转换器（由电池组供电）。电池组电流的测量用霍
14、尔效应磁域传感器来测量。电池内部温度的测量通常是用直接与电池壁接触的固态集成电路温度传感器来测量，并且同外部环境如气流和阳光这样的热效应隔离。电池组温度的测量是用同样的装置来测量。为了描述电池组周围空气的平均温度，传感器一般位于电池组支架上。此项研究成果应用于电厂、变电站、通信、电动车辆及医疗等领域。关于BMS蓄电池的监测有多种监测目的。因此，监测的重点也有差异，在监测的方法和手段上人们进行了大量的研究和探索。在圣巴巴拉某区的电车上，使用了VRLA蓄电池作为电源。同时在蓄电池上安装有BMS 蓄电池监测系统，以评价蓄电池的运行状况。BMS能够向操作人员提供有关剩余电量的信息及电池性能接近极限状态
15、时的报警状态。同样重要的是，为对电池状态进行分析和维护，将数据进行记录。这里使用的电池单电压是12V。此BMS的数据采集系统包括16路单电压通道、测量一个领示电池温度及环境温度的4路温度通道、电池组电压和电流通道。A/D采样速率是每秒40个采样点，精度好于0.1%。电源供电部分使用了DC/DC变换器。此BMS 通过获得电池的数据来分析电池和车辆的运行状况。在韩国，有人研究光伏系统中的蓄电池状态的监测。铅酸蓄电池作为独立光伏系统的能量的储存设备，可防止过度放电和过度充电，对延长整个系统的服务寿命非常重要。蓄电池组的监测内容有：单电池电压、电池组电压、通过电池组的电流及电解液的比重等。每一个被选择
16、的单电池电压使用一个便携式数据采集系统监测。这个系统中有一个20个通道的扫描器、一个数字多路选择器及一个笔记本电脑。电解液的比重是通过数字比重计测量。研究的监测系统不仅要监测以上这些内容，而且采用了一种“电流中断技术”，以测量电池组充电时电池的内部电阻。根据单电压和电流的关系，通过连续测量内部电阻以监测电池的老化趋势。在国外有人研究VMS（VRLA Battery Management System）阀控密封铅酸蓄电池管理系统。这个管理系统不是简单的监测蓄电池，而是设计成具有管理和控制蓄电池的功能。此系统的目的是改变蓄电池“恒压充电”的方法。因为恒压充电的方法不能满足不同蓄电池所需的不同充电电
17、流。系统监测的内容包括：单电池电压、电池内部温度、放电电流及放电过程中测量电池组总电压。VMS中包含了BMS。它是在监测的基础上对蓄电池进行分析，并进行管理和控制。这样更有利于对蓄电池的维护，延蓄电池使用寿命。1.2.3发展趋势国外蓄电池监测系统的技术比较成熟，并且研究发展了蓄电池管理系统。国外先进技术及研究成果对我国进一步进行有关蓄电池监控系统方面的研究，可以起到借鉴作用。可见，在蓄电池管理系统有以下发展趋势：1.能够精确监测蓄电池组中个体电池的电压；2.智能化、数字化、实时实况化的可无人职守的监测系统；3.监测和控制为一体的蓄电池管理系统。蓄电池组不仅监测而且对其进行一定的控制，本次研究就
18、是在监测蓄电池各项参数的同时并对蓄电池进行控制，以达到更好维护管理蓄电池并延长蓄电池寿命的效果。2 铅酸蓄电池组的介绍2.1 铅酸蓄电池的简介蓄电池又称为二次电池，它不仅能将储备的化学能变为电能（这一过程称为放电），而且当参加反应的物质以电能的形式释放完毕之后，再用充电器对它输入直流电能（这一过程称为充电），又可将已损耗的活性物质复活。因此蓄电池可以进行多次充、放电循环。依据使用的场合的不同，蓄电池有固定型（供室内装置用）、移动型（便于携带用）之分。移动型电池还可以分为电动机车型和启动型蓄电池。依据蓄电池电解质的状态不同分类：可分为电解质采用稀硫酸（）的称为铅酸蓄电池，采用硫酸电解质胶体的称为
19、胶体铅蓄电池。又依据蓄电池电解质性质来区分：电解质采用稀硫酸的称为酸性电池；采用碱性电解质（如氢氧化锂、氧化钾、氧化钠）的称为碱性电池。最常用的酸性蓄电池为铅酸蓄电池，铅酸蓄电池正极活性物质采用多孔隙的高价氧化铅物质（），负活性物质采用低价绒状铅物质（）。在传统铅酸性蓄电池中，电解液不仅用于导电和进行电化反应，还需要用来浸泡极板及附件，所以电解液量很多，故称为富液式电池。20世纪80年代中期在富液式电池基础上，研制出阀控式密封铅酸（Valve Regulated Lead Acid,VRLA）蓄电池，简称VRLA蓄电池。这种电池采用贫液式设计，即将大部分电解液贮存在吸液式玻璃纤维隔膜（AGM）
20、中，小部分电解液贮存在正、负极活性物质孔隙中，使电池壳内无流动的电解液，故称为贫液式电池（简称“A”式）。与此同时在德国、法国等地兴起胶体电解质VRLA蓄电池技术（简称“G”式）。胶体电解质是以质点为骨架构成的三维多空网状结构，所需要的硫酸电解液贮存于凝胶后的缝隙和活性物小孔中。阀控式密封铅酸（VRLA）电池在我国推广应用已有十多年了，由于其具有体积小、重量轻、自放电小、寿命长、节省投资、安装简便、安全可靠、使用方便、少维护不溢酸雾、对环境无腐蚀、无污染等优良特性，并可实现无人值守和微机集中监控的现代化管理方式，因而在通信局站中被大量使用。当VRLA电池进行释放化学能时，此时多孔状活性物质与稀
21、硫酸电解液组成氧化型半电池，称为氧化型电极（进行还原反应）。而电池中绒状铅（海绵状铅）与稀硫酸电解液组成还原型半电池，称为还原电极（进行氧化反应）。电池反应结果正极和负极活性物质都变成。电池中部分硫酸电解液将变成水。由于粒子体积大而将和绒状铅中小孔逐渐被堵住，当大部分小孔被堵塞后，电池便不能继续进行电化反应，称为放电终了。在蓄电池吸收外电源直流电能的充电过程中，此时正极物质与稀硫酸电解液组成还原型半电池，而负极物质与稀硫酸电解液组成氧化型半电池。电池反应结果，负极物质逐渐氧化成多孔隙的海绵状铅；正极物质逐渐变成多孔隙。铅酸蓄电池中电解液中的水分将逐渐减少，而硫酸分子将逐渐增多，即提高了电解液密
22、度。铅酸蓄电池开路电压为2.06V/只，以正常电流放电时电压逐渐降低，至终了电压不应低于1.701.80V/只。综上所述，电池释放化学能的历程是电化学能转变电能的过程，反之电池吸收外电源电能历程是电能转变化学能的过程。2.2铅酸蓄电池电化原理铅酸蓄电池放电过程反应物海绵状铅、正极是多孔状二氧化铅，而两电极产物都是硫酸铅和水如式（2-1）和式（2-2）。在理想条件下，充电过程两电极上的硫酸铅和水分别可恢复为原来的物质。铅电极（） （2-1）氧化铅电极（） （2-2）可得出电池平衡状态的电池反应式，如式（2-3）： （2-3） 电池在开路状态，负极上具有释放出电子变成离子并与电解液作用生成的倾向，
23、同时中离子又具有吸附电极表面电子的倾向，两者反应速度是相等的。当电池内有电流时，电池进行放电或充电反应，电极将失去平衡状态并发生能量的转换。与原电池不同的时还可用外电源恢复损耗的化学物质，使蓄电池具有多次使用功能（徐曼珍，2005）。2.3 蓄电池在通信局（站）直流系统中的应用直流不间断电源系统与交流不间断电源系统具有相同的作用，用于保证通信电源不中断。直流基础电源系统有整流器、蓄电池组、直流配电单元等部分配置而成。整流器为主用电源，一是承担忙时通讯负荷的供电，二是承担与其并联的蓄电池放电后的充电。倘若市电异常而使整流器无法工作时，改用蓄电池组单独供电，要求能满足对该系统忙时负荷供电的需要。所
24、以蓄电池是必不可少的备用电源。在通信设备内部还设有DC/DC变换器，用于产生低压级5V、5V、12V、12V等电源。除此之外还有铃流发生器、小型DC/AC逆变电源。这些电源统称为机架电源，要求不间断、高质量供电。依据电网供电质量和局（站）的工作性质，将市电分为3类。一类市电场所，由于市电可靠和维护质量高，蓄电池组的容量以满足供电1-2h为目的。二类市电场所，由于市电可靠性和维护质量有所下降，因此蓄电池的容量以满足供电2-4h的需要为目的。三类市电场所，蓄电池容量则应满足供电8h或更长时间的需要。大多数通信设备直流基础电源电压选用48V，所以我国取48V作为正选电压。通信电源直流电源系统电池已更
25、新换代，目前采用固定型阀控式密封铅酸蓄电池。2.4 阀控式铅酸蓄电池的维护由于阀控式铅酸电池（VRLA）具有以下优点：可卧放、叠放，可与通信设备放置在一起，节省空间；贫液设计省去了在维护中进行比重测量，适合大电流放电；在一般情况下氢氧复合较好，不会产生氢气；充电不会产生酸气而污染环境，等等。因此，在通信领域已被广泛使用。在20世纪90年代初刚刚使用阀控式蓄电池时,曾被称为“免维护电池”，这实际上是一种误导，加上早期遥阀控式蓄电池产品的质量不高，在使用中经常会出现这样或那样的一些故障。蓄电池制造商提供的蓄电池设计寿命均为特定条件下的理论值，不能等同实际使用寿命。实际使用寿命与使用条件（环境温度、
26、放电深度、断电频度、蓄电池管理等）密切相关，与设计寿命存在一定差异，甚至相差甚远。同期投入运行的UPS类型12V100Ah蓄电池使用寿命统计结果（以蓄电池额定容量的80作为寿命终止标志），可以看出，使用时间一年以下的蓄电池比例占30，使用时间两年以下的蓄电池比例高达58，而使用时间超过两年的蓄电池比例只占12。当然，随着计算机技术的发展，大规模集成电路器件的不断涌现，以及开关电源、UPS电源技术等的不断完善，电源系统设备已取得了不小的进步，在供电的安全性和可靠性等方面都有了较大的提高，电源系统设备维护的工作量也减少了许多。但尽管如此，与电源系统设备配套的阀控式蓄电池，却仍然不时地出现一些故障。
27、因此对阀控式蓄电池的维护，不论在直流供电系统还是在交、直流不间断供电系统中，都是至关重要的（刘明理，1998）。对于蓄电池维护质量，是确保阀控式蓄电池正常运行的重要方面。如果维护质量较高，就能使阀控式蓄电池发挥最大的效能和延长使用的寿命。因此维护阀控式蓄电池要弄清以下几方面的关系和问题；1.温度与容量的关系以VRLA电池（阀控式蓄电池）的大致标准是：25时，蓄电池的容量为100%；在25以上时，每升高10蓄电池的容量会减少一半；而在25以下时，温度与容量的关系如表2-1所示。表2-1 25以下时，温度与蓄电池当前容量的关系Tab.2-1 The relation line length and
28、 current capacity below 25温度/当前容量/%25100209515901084576071 从表2-1不难看出，阀控式蓄电池的容量是随着温度的变化而变化的，维护人员必须认真做到根据实际温度的变化合理地调整蓄电池的放电电流，同时要控制好蓄电池的温度使其保持在2225以内。2.充电、放电与寿命、容量的关系 (1)充电与寿命的关系对阀控式铅酸蓄电池的维护需要建立精确的充电制度并加以实施，才能使该蓄电池达到最优的性能和最长的使用寿命，国内外大量研究的结果表明，充电方式决定了蓄电池使用的寿命，有一些蓄电池与其说是使用坏的，不如说是充电方式不妥被损坏的。在这方便，国内有许多蓄电池
29、生产厂家和科研院所或学校都做过类似的实验。例如有一个单位，将蓄电池分成了两组进行实验，一组采用普通恒压限流方式进行全容量寿命的试验，另一组则采用阶段恒流充电方式控制充电的容量，并在充电后期采用短时间中等电流冲击方式进行容量循环寿命的试验。结果，两组蓄电池因采用不同的充电方式而得到相差甚大的循环寿命，其中采用阶段恒流充电方式的蓄电池循环寿命较长。可见，目前被广泛采用的恒压限流充电方式，特别在充电后期是有相当缺憾的。由于目前使用的整流设备，特别是开关电源不具备恒流特性，采用第二种充电的方式还存在一定的困难，因此对这个问题还需要做进一步的探索。除此之外，目前有些科研部门都在探索用脉冲充电的方式对阀控
30、式蓄电池充电。主要的过程是将脉冲充电分成一个或几个阶段，每个阶段有数个脉冲周期。如整个过程为充电10min停充3min放电3s停放1.75min，最后阶段为充电15min并静止放置数h，使电解液降温等等。据说这种方法比较理想，可以消除硫酸化。(2)放电与容量的关系大家知道，不同倍率的放电电流会使蓄电池有不同的容量，如表2-2所示。表2-2 放电与容量的关系Tab.2-2 The relation discharge and capacity放电率/h蓄电池额定容量的百分数/%放电电流倍数终止电压/V0.54571.71555.141.753752.51.8101001.01.8在通信电源直流供
31、电系统中配置的蓄电池容量也不同的，对蓄电池在实际放电电流下运行的容量应有一个准确的计算。这里值得注意的是，在小电流放电条件下形成的硫酸铅，要氧化还原是十分困难的，这是因为在小电流放电下形成的硫酸铅颗粒的尺寸远比大电流放电条件下的尺寸大，就是说在大电流条件下晶体形成的速度要比小电流条件下慢，晶体来不及生长就很快被氧化还原了，因而颗粒比较小。而在小电流条件下，较大的硫酸铅晶体就不容易被还原。如硫酸铅晶体长期得不到清理，必然会影响蓄电池的容量和使用寿命。3.不均衡性对阀控式蓄电池的影响有关的研究结果表明：板栅不同部位合金成分与结构的分布均有所不同，因而会导致板栅电化学性能的不均衡性，这种不均衡性又会
32、使在浮充和充、放电状态下的电压产生差异，且会随着充、放电的循环往复，使这种差异不断增大，且会随着充、放电的循环往复，使这种差异不断增大，形成所谓的“落后电池（蓄电池失效）”。目前国内的标准要求，在一组电池中最大浮充电压的差异应50mV，而发达国家的标准是20mV，所以应重视并减小浮充状态下蓄电池的电压运行的差异。4.热失控现象由于阀控式蓄电池采用贫液设计，电池中灌注的电解液都吸附在玻璃纤维板上，当充电电流增大时，就需要通过安全阀来释放气体，因而造成了蓄电池失水、内阻增大、容量衰减和在充、放电过程中产生大量的热量。这些热量如来不及扩散使温度剧增，就会形成热失控。热失控产生的原因还有没及时减小浮充
33、电压、安全阀不严或开阀压过低等等，在热失控严惩的情况下如果放电，有可能使蓄电池瞬间电压骤降和蓄电池壳体温度上升至7080，因此对热失控的问题必须引起高度的重视。通过以上分析，对阀控式蓄电池的维护工作有了一些了解，要做好对阀控式蓄电池的维护就必须做到：(1)在条件允许的情况下，蓄电池室应安装空调设备并将温度控制在2225之间。这不仅可延长蓄电池的寿命，而且可使蓄电池有最佳的容量。(2)不论在任何情况下，蓄电池的浮充电压不应超过厂家给定的浮充值，并且要根据环境温度变化，随时利用电压调节系数3mV/来调整浮充电压的数值。(3)鉴于不均衡性对阀控式蓄电池的影响，应采用浮充电压的下限值进行浮充供电。(4
34、)在蓄电池不均衡性比较大或在较深度地放电以后，以及在蓄电池运行一个季度时，应采用均衡的方式对电池进行补充充电。在均衡充电时要注意环境温度的变化，并随环境温度的升高而将均衡电压设定的值降低。例如，如环境温度升高1,那么均衡充电的电压值就需降低3mV。(5)尝试用脉冲充电的方式对“落后电池”进行充电，促使蓄电池的恢复。(6)精心维护，在阀控式电池组投产运行前应认真记录每只单体电池的电压和内阻数据，作为原始资料妥善保存，待每运行半年后，需将运行的数据与原始数据进行比较，如发现异常情况应及时进行处理。(7)阀控式蓄电池运行到使用寿命的1/2时，需适当增加测试的频次，尤其是对单体12V的电池增加测试。如
35、果电池内阻突然增加或测量电压有数值不稳（特别是小数点后两位）、总是在变的情况，应立即作为“落后电池”，进行处理。(8)定期检查阀控式蓄电池的安全阀，并仔细观察安全阀的周围是否有被喷射的污点，以此确定安全阀是否拧紧或损坏。(9)在蓄电池选型和采购的过程中，要充分了解厂家的生产工艺、制造流程和质量控制手段，以及技术特点等，必要时可要求在厂家进行首次容量实验，以筛选美异较小的蓄电池。总之，在通信维护工作中，要重视对阀控式蓄电池的维护，要针对蓄电池不同的特点、特性提出不同的维护要求，并通过摸索经验，积累知识，不断提高维护的水平，使阀控式蓄电池充分发挥其效能，达到预期使用的目的（朱品才，2006）。 3
36、系统的整体设计方案3.1 系统功能针对以上这些不利于蓄电池使用和维护的情况，本文所阐述的智能蓄电池监控系统为了监测和控制上述问题的发生，系统的功能主要包括：测量功能：可随时测量及记录蓄电池的温度、总电压、总电流、各单体电池电压等状况；设置功能：可根据具体的环境设置监测蓄电池的个数、蓄电池的总体和单体电压的上限和下限值；异常告警：当蓄电池组电压及温度异常时，将发出告警；在线电压均衡功能：通过对单体电池在线进行充放电，平衡蓄电池组中个体蓄电池的电压。一般蓄电池组监测系统是对整组蓄电池进行监测，即对串联使用的蓄电池组的端电压端电流等进行监测。只能判别整个蓄电池组是否正常。本次所研究的蓄电池智能监控系
37、统可对串联使用的蓄电池组中的每个电池进行监测。能及早发现个别电池的异常，在其对整个蓄电池组造成影响之前及时发现问题并防止蓄电池失效而造成无法挽回的重大事故。本系统可以根据具体的应用环境来设置蓄电池的个数和电压上下限值，这样增加了整个系统的通用性和灵活性，使本系统可以广泛应用在需要使用不同电压值的的领域，诸如电信、金融、UPS、广电、电力、汽车、铁道、太阳能、风能等各行各业。所谓均衡充电，就是均衡电池特性的充电，是指在电池的使用过程中，因为电池的个体差异、温度差异等原因造成电池端电压不平衡，为了避免这种不平衡趋势的恶化，需要提高电池组的充电电压，对电池进行活化充电。事实上，均衡充电电压，对于大多
38、数电池来说，都是较高的浮充电压。在这种情况下，对于大多数正常的电池来说，无疑是处于过充电状态。毫无疑问，这将产生大量的、。理论上讲，阀控密封电池是不失水的，但事实是不可避免的：首先，再化反应效率是不可能达到100%的，不能复合的气体在电池内部形成一定的压力，压力超过安全控制阀阀值时，阀门打开，气体从控制阀中排出。其次，电池是不可能完全密封的，电池失水是一个缓慢的过程。在以前的电池维护中，伴随着均衡充电的过程是进行电池比重的调整，也就是说采用添加蒸馏水的办法补充水量，以保持电池的均衡性。但在免维护电池中，在现有的维护制度下是不加水的，这样一来，将不可避免造成电池的失水、电池干枯（陈红雨,2001
39、）。本次设计最有特色的是实现在线电压均衡功能，也就是说对蓄电池增加了控制功能，针对由于个体蓄电池本身之间的离散性决定了蓄电池组在使用后其电压的一致性越来越差，使得电池在整体充电时产生的电池之间电压相差越来越多，以致于有的单体电池过充，有的却欠充，而导致蓄电池组寿命严重下降，使有些理论寿命有二十几年的蓄电池而实际应用寿命却只有四、五年，本系统通过对每个单体电池的电压的监测，在检测到某一个电池的电压太高或太低时，就在线有针对性的对其进行单体放电或充电，采取削峰填谷的方法，这样就减少了蓄电池组单体电池的离散性，从而大大增加蓄电池组的使用寿命和使用容量的作用。蓄电池智能化管理系统是一种无人值守的智能化
40、设备,随时测量及记录蓄电池的温度、总电压、总电流、各单体电池电压等状况;根据具体的环境设置监测蓄电池的个数、蓄电池的总体和单体电压的上限和下限值;当蓄电池组电压及温度异常时, 将发出告警; 通过对单体电池在线进行充放电,平衡蓄电池组中个体蓄电池的电压。3.2 系统的整体构思“蓄电池智能化管理系统”是一种无人值守的智能化设备，其核心部分有大量的电子元件协调工作，整台设备的主要硬件设备是“平衡板”和“主控板”，如图3所示。每个平衡板对应连接一定数量的单体蓄电池，根据蓄电池组串联在一起的单体蓄电池的数量来决定平衡板的个数。系统中所有平衡板再由串行通讯线与主控板相连。主控板可以根据是否需要进行远程通讯
41、来决定是否和PC机相连。Fig.3-1 The system diagram“平衡板”主要工作是平衡蓄电池电压、采样蓄电池的各种参数并向主板传输各种参数数据。在平衡板中包括温度测量模块、电压电流测量模块、单体蓄电池均衡充放电模块和与主板通信模块组成，如图3-2所示。Fig.3-2 The balance plate structure diagram“主控板”是整个系统的统一管理中枢，它管理系统的显示、报警、设置系统各种参数。在主板中主要包括按键显示模块、与平衡板通信模块和数据处理模块，如图3-3所示。图3-3主控板结构图Fig.3-3 The main control plate struc
42、ture diagram3.3 智能控制芯片的选择在单片机家族的众多成员中，STC89系列单片机以其优越的性能、成熟的技术及高可靠性和高性能价格比，迅速占领了工业测控和自动化工程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域中的主流。目前，可用于STC89系列单片机开发的硬件越来越多，与其配套的各类开发系统、各种软件也日趋完善，因此，可以极方便地利用现有资源，开发出用于不同目的的各类应用系统。STC89系列单片机是Intel公司1980年推出的高性能8位单片机。典型产品为8051，其内部资源分配和性能如下：8位CPU、寻址能力达64KB；4KB 的ROM和128字节RAM；4个8位I/O接口电路；一个
43、串行全双工异步接口；5个中断源和两个中断优先级。本系统应用MCS-51系列单片机89C52为主控板核心，充分利用了其外部总线的扩展优势，和经典单片机所有的资料充足，成熟的模块化应用等特点使系统稳定和较高的开发速度。美国Microchip公司生产的PIC系列单片机具有价格低、体积小、速度高、功耗低、C语言编程、程序保密性强、品种多和开发方便等特点，并率先采用RISC技术。该公司的8位PIC 系列单片机的市场占有率已从1990年的20位提高到1996年的前5位，现已成为嵌入式单片机（Embedded Controller）的主流产品之一（刘和平，2003）。PIC系列单片机分低档、中档和高档三个层
44、次，指令条数分别是33、35 和58 条，均向上兼容。PIC 系列单片机内部采用哈佛(HarVard)双总线结构,数据和程序分开传送,有效地避免了CISC 设计中经常出现的处理瓶颈；两级指令流水线结构允许CPU在执行本条指令同时也能取出下条指令的指令码，这就可以使CPU 的工作速度得到很大提高。Microchip基于EPROM的OTP(One Time Program)技术实际上是不带窗口的EPROM，它比熔丝式PROM更为可靠，更能满足客户需求。PIC 系列单片机内部资源丰富，用户可根据需要选取。本系统的平衡板部分核心采用的是PIC系列单片机的PIC16F873，充分利用其价格低、体积小、速度快、内部集成模块多等特点。其内部集成的10位A/D、看门狗等实用模块，大大减少了系统外部扩展的需要，使系统不仅功能强大、可靠又简洁！
