胡傑+王凱+王亞剛
摘 要：為提高供電系統的可靠性，越來越多的場合使用蓄電池來提供不間斷的電源供應，以蓄電池無線監測系統設計及蓄電池組的容量預測為主要研究內容，設計出一種基於AT89C51處理器的無線監測系統，同時介紹了系統的硬體結構和軟體設計，實現了對單體電池的端電壓、內阻、表面溫度等主要參數的實時監測，並可對蓄電池組的剩餘容量進行預測，從而及時發現性能下降的單體電池，避免影響蓄電池組中其他單體電池，可以延長蓄電池組的使用壽命，提高系統的可靠性；GPRS網絡與遠程監控中心通訊，能快速地打包上傳蓄電池組的運行數據，以供人們查詢或決策參考。
關鍵詞：蓄電池組；AT89C51；無線監測；剩餘容量
DOIDOI：10.11907/rjdk.172872
中圖分類號：TP319
文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0093-03
0 引言
隨著電力電子技術的飛速發展，用戶對用電質量的要求也越來越高，要求供電設備能夠提供不間斷供電，即在供電中斷後也能提供電力供應給用戶。為防止電力異常導致的服務中斷，不間斷電源（UPS）應運而生。閥控式密封鉛酸蓄（VRLA）電池主要應用於電力儲能系統中的微電網、不間斷電源系統、電動汽車等領域[1]。VRLA電池採用了陰極吸收技術，可免除補加水維護，被稱為「免維護」電池，卻在很大程度上誤導了用戶的正確使用，需要做一些維護工作延長VRLA電池的使用壽命。蓄電池監測系統基於GPRS的無線網絡實現遠程數據傳輸，便於用戶通過監控中心PC機或手機進行實時監測。
1 蓄電池監測技術研究現狀
1.1 單體電池的電壓監測
測量電池組中串聯在一起的單體電池的電壓至關重要，因為電池正常是處於浮充狀態，系統只能浮充電壓超常或性能很低的電池，而無法監測到浮充電壓變化不明顯的電池。
1.2 蓄電池組的容量監測
估算蓄電池的剩餘容量，即荷電狀態（State of Charge， SOC），可以減少對蓄電池的損害，延長蓄電池的使用壽命[2]。蓄電池SOC的影響因素主要有：充放電倍率、溫度和循環使用次數[3]。蓄電池SOC的估計方法[4]主要如下：電動勢法比較實用，但其精度依賴於電動勢預測的模型，需要長時間靜置，不能在線估計。安時積分法[5]最為常用，可以在線測量，只適用於在初始放電狀態已知的情況下。神經網絡法[6]通常與模糊控制法相結合來估算SOC，神經網絡法適合處理估算蓄電池SOC這種非線性問題，能實時在線預測，但需要全面精確的參考數據來訓練該模型，所以建立系統模型十分困難。
1.3 蓄電池的內阻監測
交流注入法測量蓄電池內阻時，將一個正弦交流小電流信號注入電池的兩端，測出其兩端電壓，由此計算出蓄電池的內阻，此方法不需要放電，不會對蓄電池的性能造成影響[7]。
1.4 溫度監測
蓄電池內部將化學能轉化為電能，電池內部溫度對其性能影響很大，在充放電過程中，蓄電池內部會出現「氧循環」現象，產生的額外熱量會使蓄電池內部溫度上升，封閉性好使得測量蓄電池的內部溫度較為困難。所以，一般只監測蓄電池的外表面溫度和環境溫度 [8]。
2 系統總體設計
系統總體結構如圖1所示。監測節點測量到數據，並通過GPRS網絡發送，監控中心通過組態王架設，組態王內嵌Web伺服器和高性能資料庫，採用B/S架構模式，資料庫與監控中心雙向傳輸，用來存儲和管理數據，支持GPRS通訊，方便監控用戶隨時隨地通過手機或在監控中心連接Internet訪問Web伺服器，以訪問網頁方式瀏覽、監控蓄電池的數據。
3 系統硬體設計
通過電壓測量電路、溫度傳感器採樣電路和內阻測量電路分別採樣蓄電池的端電壓、表面溫度以及內阻這3個參數，蓄電池無線監測系統結構如圖2所示。
3.1 電壓測量電路設計
對蓄電池端電壓的測量需要用到AD轉換器，本文選用A/D轉換晶片ADC0809。因為蓄電池端電壓範圍和ADC轉換電壓範圍不同，為了將待測電壓信號轉換到ADC的量程內，採用電阻分壓電路[9]，如圖3所示，選用兩個精密電阻接入到蓄電池兩端，然後從這兩個電阻之間去除分壓後的信號，通過改變這兩個分壓電阻的阻值，就可以測量出蓄電池的端電壓。
在測量蓄電池的端電壓時，為了避免現場的各種干擾信號引入到單片機控制系統，需要對被測信號與控制系統之間進行良好的線性隔離，採用高線性度的模擬光電耦合器件HCNR201[10]隔離模擬信號，穩定性好、高帶寬和成本低，光耦隔離電路的輸入信號是經過分壓後的端電壓信號，隔離後的信號經過ADC0809轉換成數位訊號傳送給AT89C51。
3.2 溫度傳感器電路設計
蓄電池在一定溫度下容量最大化，選用溫度傳感器DS18B20[10]測量蓄電池的表面溫度，DS18B20單總線數字溫度傳感器集溫度測量和A/D轉換於一體，簡單、精度高、連接方便、占用口線少。溫度測量範圍為-55～125℃，出廠默認設置為12位解析度。
3.3 內阻測量電路設計
內阻是衡量蓄電池容量的一個重要參數，內阻測量方法主要是直流測量法和交流測量法，直流法存在著要求離線測量、容易損壞電池等不足，不適宜在線測量的需求。選用交流法測量蓄電池內阻可以實時在線測量，不需要離線接負載放電測量，測量蓄電池內阻的原理是將正弦電流或者電壓信號作為激勵加載到蓄電池兩端，通過測量電池的響應信號計算內阻。
3.4 無線通信電路設計
GPRS無線網絡傳輸技術用來遠程傳輸數據，可以充分克服布線繁瑣、維護困難等問題，尤其方便用戶使用手機或PC機就可以遠程監控蓄電池的狀態。選用USR-GM3作為GPRS模塊，通過RS232總線與單片機AT89C51相連接，可實現串口到網絡的雙向數據傳輸。
4 系統軟體設計
蓄電池狀態採集包括採集電壓、溫度和內阻的狀態數據，並對數據進行處理分析。GPRS數據傳輸是接收監測節點採集的數據並發送給監控中心，另外，監控人員需要維護電池時，GPRS接收監控中心傳來的指令並發送給終端節點執行。
4.1 蓄電池參數採集軟體設計
蓄電池組長時間處於浮充狀態，內阻變化很緩慢，因此不宜頻繁對內阻採集監測，由上位機發送指令給終端節點，採集單元才開始工作。當上位機接收到傳過來的內阻值，就可以得到相應蓄電池的容量值。蓄電池參數採集軟體流程如圖4所示[11]。
4.2 GPRS數據發送與接收軟體設計
GPRS是通用分組無線業務的簡稱，GPRS模塊選用USR-GM3，採用HTTPD Client模式將數據傳送給HTTP伺服器端，或者從HTTP伺服器端獲取數據，數據以Http方式發送給Web伺服器。GPRS模塊將數據發送到GPRS無線網絡中，再通過Internet傳送給監控中心，用戶通過在監測軟體的用戶介面上觀察採集到的數據，並可以發送指令給GPRS模塊，對蓄電池採取維護措施。如圖5所示，首先GPRS接收測量到的蓄電池端電壓、溫度、內阻參數數據，並發送數據的返回狀態，而後GPRS把採集到的數據一起打包傳送給監控中心。
5 結語
該系統主要採集蓄電池電壓、溫度、內阻的參數值，實時在線預估蓄電池的剩餘容量，通過GPRS無線通信方式將蓄電池的運行狀態傳送至監控中心進行遠程實時監測和控制維護，簡單易行。本文設計的蓄電池無線監測系統對於蓄電池出租公司監測，方對蓄電池使用有一定的實際意義，具有廣泛的應用前景。
參考文獻：
[1] 趙雪娟.VRLA蓄電池SOC估算策略的研究[D].寧夏：寧夏大學，2016.
[2] 魏東濤，黃之傑，孔華，等.蓄電池SOC的研究及預測方法[J].電源科技，2016，40（6）：1321-1323.
[3] 馮真得.變電站用VRLA蓄電池SOC及SOH估計算法研究[D].合肥：合肥工業大學，2016.
[4] 黃世回.VRLA閥控鉛酸電池SOC估算研究[D].柳州：廣西科技大學，2013.
[5] 李鵬.應急電源蓄電池容量預測與在線監控系統研發[D].杭州：中國計量學院，2014.
[6] 賀雷華.蓄電池充放電的監測和控制系統[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.
[7] 黃先莉.蓄電池組無線監測系統的數據分析和智能化故障檢測研究[D].武漢：華中師範大學，2014.
[8] 史相玲.蓄電池在線監測系統的研究[D].保定：河北農業大學，2009.
[9] 陳渡.蓄電池無線監測系統研究[D].江門：五邑大學，2012.
[10] 唐承佩，唐賢達，黃美嫻，等.用於通信基站的蓄電池監測系統的研製[J].電信科學，2007（1）：21-22.
[11] 王振耀.基於網絡技術的蓄電池遠程監測系統的設計與實現[D].成都：西南交通大學，2016.
摘 要：為提高供電系統的可靠性，越來越多的場合使用蓄電池來提供不間斷的電源供應，以蓄電池無線監測系統設計及蓄電池組的容量預測為主要研究內容，設計出一種基於AT89C51處理器的無線監測系統，同時介紹了系統的硬體結構和軟體設計，實現了對單體電池的端電壓、內阻、表面溫度等主要參數的實時監測，並可對蓄電池組的剩餘容量進行預測，從而及時發現性能下降的單體電池，避免影響蓄電池組中其他單體電池，可以延長蓄電池組的使用壽命，提高系統的可靠性；GPRS網絡與遠程監控中心通訊，能快速地打包上傳蓄電池組的運行數據，以供人們查詢或決策參考。
關鍵詞：蓄電池組；AT89C51；無線監測；剩餘容量
DOIDOI：10.11907/rjdk.172872
中圖分類號：TP319
文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2018）002-0093-03
0 引言
隨著電力電子技術的飛速發展，用戶對用電質量的要求也越來越高，要求供電設備能夠提供不間斷供電，即在供電中斷後也能提供電力供應給用戶。為防止電力異常導致的服務中斷，不間斷電源（UPS）應運而生。閥控式密封鉛酸蓄（VRLA）電池主要應用於電力儲能系統中的微電網、不間斷電源系統、電動汽車等領域[1]。VRLA電池採用了陰極吸收技術，可免除補加水維護，被稱為「免維護」電池，卻在很大程度上誤導了用戶的正確使用，需要做一些維護工作延長VRLA電池的使用壽命。蓄電池監測系統基於GPRS的無線網絡實現遠程數據傳輸，便於用戶通過監控中心PC機或手機進行實時監測。
1 蓄電池監測技術研究現狀
1.1 單體電池的電壓監測
測量電池組中串聯在一起的單體電池的電壓至關重要，因為電池正常是處於浮充狀態，系統只能浮充電壓超常或性能很低的電池，而無法監測到浮充電壓變化不明顯的電池。
1.2 蓄電池組的容量監測
估算蓄電池的剩餘容量，即荷電狀態（State of Charge， SOC），可以減少對蓄電池的損害，延長蓄電池的使用壽命[2]。蓄電池SOC的影響因素主要有：充放電倍率、溫度和循環使用次數[3]。蓄電池SOC的估計方法[4]主要如下：電動勢法比較實用，但其精度依賴於電動勢預測的模型，需要長時間靜置，不能在線估計。安時積分法[5]最為常用，可以在線測量，只適用於在初始放電狀態已知的情況下。神經網絡法[6]通常與模糊控制法相結合來估算SOC，神經網絡法適合處理估算蓄電池SOC這種非線性問題，能實時在線預測，但需要全面精確的參考數據來訓練該模型，所以建立系統模型十分困難。
1.3 蓄電池的內阻監測
交流注入法測量蓄電池內阻時，將一個正弦交流小電流信號注入電池的兩端，測出其兩端電壓，由此計算出蓄電池的內阻，此方法不需要放電，不會對蓄電池的性能造成影響[7]。
1.4 溫度監測
蓄電池內部將化學能轉化為電能，電池內部溫度對其性能影響很大，在充放電過程中，蓄電池內部會出現「氧循環」現象，產生的額外熱量會使蓄電池內部溫度上升，封閉性好使得測量蓄電池的內部溫度較為困難。所以，一般只監測蓄電池的外表面溫度和環境溫度 [8]。
2 系統總體設計
系統總體結構如圖1所示。監測節點測量到數據，並通過GPRS網絡發送，監控中心通過組態王架設，組態王內嵌Web伺服器和高性能資料庫，採用B/S架構模式，資料庫與監控中心雙向傳輸，用來存儲和管理數據，支持GPRS通訊，方便監控用戶隨時隨地通過手機或在監控中心連接Internet訪問Web伺服器，以訪問網頁方式瀏覽、監控蓄電池的數據。
3 系統硬體設計
通過電壓測量電路、溫度傳感器採樣電路和內阻測量電路分別採樣蓄電池的端電壓、表面溫度以及內阻這3個參數，蓄電池無線監測系統結構如圖2所示。
3.1 電壓測量電路設計
對蓄電池端電壓的測量需要用到AD轉換器，本文選用A/D轉換晶片ADC0809。因為蓄電池端電壓範圍和ADC轉換電壓範圍不同，為了將待測電壓信號轉換到ADC的量程內，採用電阻分壓電路[9]，如圖3所示，選用兩個精密電阻接入到蓄電池兩端，然後從這兩個電阻之間去除分壓後的信號，通過改變這兩個分壓電阻的阻值，就可以測量出蓄電池的端電壓。
在測量蓄電池的端電壓時，為了避免現場的各種干擾信號引入到單片機控制系統，需要對被測信號與控制系統之間進行良好的線性隔離，採用高線性度的模擬光電耦合器件HCNR201[10]隔離模擬信號，穩定性好、高帶寬和成本低，光耦隔離電路的輸入信號是經過分壓後的端電壓信號，隔離後的信號經過ADC0809轉換成數位訊號傳送給AT89C51。
3.2 溫度傳感器電路設計
蓄電池在一定溫度下容量最大化，選用溫度傳感器DS18B20[10]測量蓄電池的表面溫度，DS18B20單總線數字溫度傳感器集溫度測量和A/D轉換於一體，簡單、精度高、連接方便、占用口線少。溫度測量範圍為-55～125℃，出廠默認設置為12位解析度。
3.3 內阻測量電路設計
內阻是衡量蓄電池容量的一個重要參數，內阻測量方法主要是直流測量法和交流測量法，直流法存在著要求離線測量、容易損壞電池等不足，不適宜在線測量的需求。選用交流法測量蓄電池內阻可以實時在線測量，不需要離線接負載放電測量，測量蓄電池內阻的原理是將正弦電流或者電壓信號作為激勵加載到蓄電池兩端，通過測量電池的響應信號計算內阻。
3.4 無線通信電路設計
GPRS無線網絡傳輸技術用來遠程傳輸數據，可以充分克服布線繁瑣、維護困難等問題，尤其方便用戶使用手機或PC機就可以遠程監控蓄電池的狀態。選用USR-GM3作為GPRS模塊，通過RS232總線與單片機AT89C51相連接，可實現串口到網絡的雙向數據傳輸。
4 系統軟體設計
蓄電池狀態採集包括採集電壓、溫度和內阻的狀態數據，並對數據進行處理分析。GPRS數據傳輸是接收監測節點採集的數據並發送給監控中心，另外，監控人員需要維護電池時，GPRS接收監控中心傳來的指令並發送給終端節點執行。
4.1 蓄電池參數採集軟體設計
蓄電池組長時間處於浮充狀態，內阻變化很緩慢，因此不宜頻繁對內阻採集監測，由上位機發送指令給終端節點，採集單元才開始工作。當上位機接收到傳過來的內阻值，就可以得到相應蓄電池的容量值。蓄電池參數採集軟體流程如圖4所示[11]。
4.2 GPRS數據發送與接收軟體設計
GPRS是通用分組無線業務的簡稱，GPRS模塊選用USR-GM3，採用HTTPD Client模式將數據傳送給HTTP伺服器端，或者從HTTP伺服器端獲取數據，數據以Http方式發送給Web伺服器。GPRS模塊將數據發送到GPRS無線網絡中，再通過Internet傳送給監控中心，用戶通過在監測軟體的用戶介面上觀察採集到的數據，並可以發送指令給GPRS模塊，對蓄電池採取維護措施。如圖5所示，首先GPRS接收測量到的蓄電池端電壓、溫度、內阻參數數據，並發送數據的返回狀態，而後GPRS把採集到的數據一起打包傳送給監控中心。
5 結語
該系統主要採集蓄電池電壓、溫度、內阻的參數值，實時在線預估蓄電池的剩餘容量，通過GPRS無線通信方式將蓄電池的運行狀態傳送至監控中心進行遠程實時監測和控制維護，簡單易行。本文設計的蓄電池無線監測系統對於蓄電池出租公司監測，方對蓄電池使用有一定的實際意義，具有廣泛的應用前景。
參考文獻：
[1] 趙雪娟.VRLA蓄電池SOC估算策略的研究[D].寧夏：寧夏大學，2016.
[2] 魏東濤，黃之傑，孔華，等.蓄電池SOC的研究及預測方法[J].電源科技，2016，40（6）：1321-1323.
[3] 馮真得.變電站用VRLA蓄電池SOC及SOH估計算法研究[D].合肥：合肥工業大學，2016.
[4] 黃世回.VRLA閥控鉛酸電池SOC估算研究[D].柳州：廣西科技大學，2013.
[5] 李鵬.應急電源蓄電池容量預測與在線監控系統研發[D].杭州：中國計量學院，2014.
[6] 賀雷華.蓄電池充放電的監測和控制系統[D].杭州：杭州電子科技大學，2013.
[7] 黃先莉.蓄電池組無線監測系統的數據分析和智能化故障檢測研究[D].武漢：華中師範大學，2014.
[8] 史相玲.蓄電池在線監測系統的研究[D].保定：河北農業大學，2009.
[9] 陳渡.蓄電池無線監測系統研究[D].江門：五邑大學，2012.
[10] 唐承佩，唐賢達，黃美嫻，等.用於通信基站的蓄電池監測系統的研製[J].電信科學，2007（1）：21-22.
[11] 王振耀.基於網絡技術的蓄電池遠程監測系統的設計與實現[D].成都：西南交通大學，2016.
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