智能型蓄电池监测系统原理及稳定性分析

智能型蓄电池监测系统原理及稳定性分析
摘要：蓄电池监测系统是蓄电池正常运行的重要组成部分，它能对蓄电池的电压、温度、内阻及充放电状态进行实时监测，以提高蓄电池使用寿命，保障直流
系统的稳定运行。

本文主要介绍蓄电池监测系统的组成、工作原理以及使用过程
中的维护注意事项。

关键词：蓄电池；监测系统；工作原理
0 前言
直流系统一般包括蓄电池、充电装置、馈线负载、绝缘监测装置等。

目前变
电站内大多使用的蓄电池为铅酸蓄电池，铅酸蓄电池可靠性很高，持续放电容量
较大，对此铅酸蓄电池在变电站得到广发运用。

但是与其他电源相比，铅酸蓄电池作为直流系统后备电源也存在一些缺点，
这些主要表现在以下几个方面：
1）蓄电池由于工艺的差别，可能存在单体电池之间容量上的差异，即使是相
同批次的电池，容量也不尽相同。

2）蓄电池在运行过程中，可能存在单个电池故障，如果这种情况不能及时发
现和处理，会对其他蓄电池造成不同程度的损坏，所以迫切的需要我们对每一个
蓄电池进行实时监测及预报。

3）蓄电池不仅受外界温度的影响，其自身在不断放电过程中，温度会不断上升，这样会造成蓄电池内部化学反应的激化，对电池的使用寿命有一定影响，故
实时监测蓄电池温度，从而采取一定控温措施也是一个重要的方面。

QDX-100智能型蓄电池监测系统在线实时监测蓄电池每个阶段的电池组电压、电流、单节电池的电压和温度，及时找出损坏的和性能明显降低的电池，可以提
高整个电池系统的安全性和稳定性。

1 智能型蓄电池监测系统组成
智能型蓄电池监测系统主要由监测主机、蓄电池采集模块、数据存储模块以
及蓄电池监测后台系统组成，如下图1所示。

图1 系统组成框图
1.1 监测主机
蓄电池监测主机主要进行收集蓄电池采集模块，然后把收集数据进行显示和
逻辑判断，同时进行把数据发往存储模块进行存储和把数据发往蓄电池监测后台。

蓄电池监测主机不仅收集蓄电池单体数据，它还进行了蓄电池组端电压采样
和通过电流采样CT进行蓄电池组的电流测量。

如图2所示，主机接线端子示意图，具体情况如下：
1）电源：电源接线为3P端子接线，电源可以选择AC和DC电源，但是电压
一定选择在90V~250V范围内。

2）母线采样：母线采样需要连接“电池正极”、“电池负极”以及“中性点电池”。

需要注意的是，“中性点电池”按照设置有两种情况，①第一节电池为母线的正极
时候，中性点电缆接在中间节电池负极上电池编号即为主机设置中性点的编号；
②第一节电池为母线的负极时候，中性点电缆接在中间节电池正极上电池编号即为主机设置中性点的编号。

如果不按照上述接法，内阻测试结果是不正确的；如
果接法正确，内阻测试结果不正确，很大可能为主机故障原因。

3）电流采样：连接电流采样CT，需要注意的是CT的安装反向，CT上标示的
方向为放电电流流过的方向。

4）后台通信：连接后台通信的接口。

5）模块电源与通信：连接采集模块与存储模块的接口，接口输出5V电压和485协议通信。

1.2 采集模块
蓄电池采集模块主要负责蓄电池电压、内阻和温度的数据采集其精度范围为：电压：0-3V 误差≤0.2%；
内阻：0-20mꭥ误差≤5%；
温度：0-99℃误差±1℃。

蓄电池采集模块的接线方式直接影响了监测系统的稳定性，由于接线采用的
是网线接口，连接的蓄电池采集模块间存在压降，所以蓄电池采集模块采用的是
分组环型供电模式，具体如下图3所示。

图3 采集模块接线示意图
1.3 主机总电压监测原理
图4 总电压采样原理图
如图4所示，IN+与IN-连接电池组端上的正极与负极，在经过功率电阻R50、R51和采样
电阻R52分压后，R52电阻两端的电压与电池组电压成一定比例。

由于IN端直接连接的是电池组，为了进行保护电池组端和蓄电池主机CPU端，需要进行
电压隔离，HCPL-7840为线性光耦隔离器件，提供了两端电压隔离工作。

为了给CPU提供稳
定的电压信号，需要增加差分运放电路。

1.4 模块电池电压采样原理
模块的电池电压采样原理，类似与主机总电压采样，如下图5所示。

规定，电池电压为U，CPU采样电压为U1，根据欧姆定律可以得出：
因为CPU的ADC基准采用的是2.5V的基准，假设，U的范围为：0-3V，则CPU采样电
压U1为0-2.2V。

所以完成适合2V蓄电池的使用。

1.5 模块电池内阻采样原理
蓄电池监测主机在测试内阻时，主机会以蓄电池组为负载进行加载一个固定不变的10Hz
电流信号，蓄电池模块则对这个信号进行监测，如下图6所示。

图5 模块电池电压采样电路
图6 模块采样电池内阻原理图
根据欧姆定律，当负载的I固定不变，U会根据R的变化而变化，即是，电池的内阻R
的大小会以U的方式体现，然后CPU根据U的大小进行计算得出R的大小。

1.6 稳定性分析
装置在运行期间若出现测量不准确可按以下步骤排查：
1. 主机总电压测量不正确。

总电压测量不准确，若总电压显示为零，首先检查主机采样端子是否插好，检查采样端
子的接线是否正确。

以上问题排除则为主机故障，需连续厂家进行更换。

2. 主机内阻连续大部分测量错误。

主机测量内阻出现大部分错误，一般为主机设置测内阻参数不正确导致，测内阻参数设
置有：第一节电池为直流系统的正极还是负极；采样中性点为哪一节电池；测量内阻系数是
否正确。

若排除以上问题，则需连续厂家进行核对问题。

3. 个别采集模块内阻偏高。

个别采集模块测量内阻偏高原因可能存在以下方面：
1）电池本身内阻偏大原因；
2）采集模块采样线连接电池处压接不牢靠；
3）采集模块故障原因。

4. 个别采集模块电压测量为零。

原因可能存在：
1）电池电压故障；
2）采集模块的采样线的保险虚焊或烧掉；
3）采集模块采样线断路；
4）采集模块故障。

5. 模块通讯故障。

出现模块通讯故障，首先查看采集模块的绿色运行灯是否闪烁，如果出现，则检查采集模块连接主机的电源接口是否连接可靠。

然后查看主机与模块连接接口处是否连接牢靠，特别查看接口处的485A与485B处。

接着查看故障的采集模块的地址拨码开关的地址是否为所处电池的编号，如果不对应则需要更正。

排除了以上故障的可能，则为采集模块故障原因导致，需要更换采集模块。

以下一例为采集模块故障导致的通讯故障。

如下图7所示，故障模块正反两面图片。

通过分析，导致通讯故障直接原因为：连接485总线上对地的一个TVS管烧坏，根据TVS数据手册分析，TVS管的失效模式为短路模式，即是，485总线对地短路导致通讯故障。

导致TVS管烧坏原因可能有：
1）TVS管老化；
2）主机在开机过程中，485电压脉冲过高；
3）热插拔模块，即是主机没有在关机状态下进行插拔模块，导致485的脉冲电压过高； 4）采集模块连接电源处的网口插座，插座里的金属弹片在插拔时，485总线弹片连接到了电源弹片，导致TVS管长时间工作在高压状态而烧坏。

图7 故障采集模块电路板
2 总结
QDX-100智能型蓄电池监测系统作为直流系统蓄电池在线监测装置，它能准确监测蓄电池实时运行数据，能及时发现和定位故障蓄电池，作为实时监测装置，提供了蓄电池容量降低的分析可能性大量的数据。

参考文献
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[2]王震坡,孙逢春,张承宁.电动汽车动力蓄电池组不一致性统计分析[J].电源技
术,2003(27):438-441.
[3]陈熙.阀控式密封铅蓄电池的管理计划.通信电源技术，1998，（3）：3～35.
作者简介
李崇仁（1977），男，广东梅州。

工程师，工学学士，主要从事变电站站用直流电源专业方向
科技项目：蓄电池多变量全状态监测及核容优化策略的研究与应用
项目编号：031900KK52160046。