1、毕业论文 - 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 基于内阻测量法的蓄电池状态监测系统设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 毕业论文 - 基于内阻测量法的蓄电池状态监测系统设计 摘要 蓄电池作为电力系统在停电时的后备电源，担负着在生产、生活等很多方面都有着十分广泛的应用，因此在国内外受到广泛关注。而因蓄电池发生故障引发的电网崩溃时间时有发生，所以对蓄电池进行维护和监测等技术成为十分重要的问题。蓄电池的在线监测系统也成为研究 的一个重要部分。 蓄电池组在正常运行情况下总是处于热备用状态，由充电设备对其进行浮充电，在交流停电时为负载提供不间
2、断电源，此时蓄电池组的容量应该满足事故停电时间内的放电容量。随着现代电力系统和通讯系统的容量的日益庞大，对这些领域应用的蓄电池组的可靠性就提出了更高的要求以满足于实际应用的需求，对于这些无人职守站和机房后备直流电源进行日常的监测和监控是必不可少的，重要的变电站要求配置蓄电池监测装置实时的监测蓄电池的状态。 本文通过对国内外内阻测量方法原理的分析和探讨，并且考虑到在线监测设备的实际 应用需要，内阻测量法判定蓄电池性能已经是目前业界公认的方法。结合项目实际的应用场合需求的考虑，提出了适合在线测量的理想的设计方案，本模块体积小，采用小电流放电对蓄电池不会造成损坏，而且成本低，还具有连接简单、安全、可
3、靠性高、使用寿命长和数据刷新率大幅度提高等优点。因为这种设计是采用一个蓄电池配一个节点模块的方式，目标就是为了降低对蓄电池组每个单体蓄电池都监控包括安装成本和电缆连接加起来的总成本，高度的集成度大人降低了模块的成本，而且串行通信和无线通信两种通信方式更一步简化了安装，确保了模块更高的可靠性。 关 键词： 蓄电池；在线监测；内阻；直流放电法 毕业论文 - ABSTRACT The battery in power system of power as the backup power, bearing in production, life, etc are in many ways has a
4、 very wide range of application, so the attention at home and abroad. And because of failure caused by the battery power grid collapse time to happen from time to tome, so for battery for maintenance and monitoring technology as a very important problem. The battery on-line monitoring system has bec
5、ome an important part of the research. Battery pack in the normal operation conditions is always in the hot standby state, from charging equipment of the charging float, in exchange for the load of power to provide uninterrupted power supply, at this time the capacity of the battery pack should meet
6、 accident in the time power discharge capacity. With modern electric power system and the communication system of an increasingly large capacity, in these fields of application of the reliability of the battery pack and put forward higher request to meet the needs of practical application, for they
7、have no standing and his room backup dc power for routine monitoring and control is indispensable, important substation configuration requirements battery monitoring device of real-time monitoring of the storage battery state. This article through to the inner resistance measurement methods at home
8、and abroad is analyzed and discussed the principle, and considering the practical application of on-line monitoring equipment need, internal impedance measurement method has the function is the determination method of industry recognized. With project reality applications needs consideration, put fo
9、rward the suitable for online measurement of the ideal, the design of this module small volume, use the small current discharge to battery wont cause damage, and low cost, and has simple, safety, reliability connect high, long service life and data greatly improve the refresh rate, etc. Because the
10、design is to use a battery with a node module way, The goal is to reduce the battery pack for every single battery are monitoring including installation costs and cable connection added up to the total cost, high levels of integration adult reduces the cost of module, and serial communication and wi
11、reless communication two communication way more step simplified installation, ensure the reliability of the higher the module. Keywords: battery; On-line monitoring; Resistance; Dc discharge method 毕业论文 - 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 蓄电池在线监测系统的发展前景 . 1 1.2 内阻测量法的蓄电池在线监测系统的发展趋势 . 1 1.3 课题的任务与要求 . 2 第 2 章 蓄电池在
12、线监测系统的整体架构和基本原理 . 3 2.1 系统的整体架构 . 3 2.1.1 主控模块 . 3 2.1.2 节点模块 . 3 2.2 蓄电池内阻测量方法 . 3 2.3 内阻在线监测的难点 . 4 第 3 章 节点模块硬件 . 5 3.1 电源设计 . 5 3.1.1 电源原理设计图 . 5 3.1.2 电路实现 . 5 3.2 可控放电的设计 . 5 3.2.1 可控放电原理设计图 . 5 3.2.2 电路的实现 . 6 3.3 内阻测量 . 6 3.3.1 内阻测量原理图 . 6 3.3.2 内阻测量电路的实现 . 7 3.4 电压测量 . 7 3.4.1 电压测量原理设计图 . 7
13、 3.4.2 电压测量电路的实现 . 8 3.5MCU. 8 3.5.1MCU 原理设计图 . 8 3.5.2MCU 电路的实现 . 8 3.6 通信设计 . 9 3.6.1 有线通信原理设计图 . 9 毕业论文 - 3.6.2 有线通信电路实现 . 9 3.6.3 无线通信的实现 . 10 3.7 实现体制 . 10 3.7.1 总体概述 . 10 3.7.2 内阻测量算法 . 10 第 4 章 节点模块软件 . 13 4.1 概述 . 13 4.2 软件功能及流程图 . 13 4.3 函数说明 . 15 4.4MODBUS 通讯协议 . 16 4.4.1 通信机制 . 16 4.4.2 消
14、息格式 . 16 4.5MiWiTMP2P 无线通信协议 . 18 4.5.1 基本特性 . 18 4.5.2 通信机制 . 18 4.5.3 消息格式 . 19 4.5.4 应用程序接口函数 . 19 结论 . 21 致谢 . 22 参考文献 . 23 毕业论文 - 第 1 章 绪论 这是一个崭新的世界，随着 各行各业的不断发展，人们对电的使用率也越来越高，可以说电是生活中不可或缺的一部分。然而时常出现的电力故障往往会影响生活和生产，所以越来越多的产业都使用蓄电池来保证对电的不间断供应，避免意外停电带来的影响。 1.1 蓄电池在线监测系统的发展前景 由于蓄电池缺少维护和监测，往往使他的寿命少
15、于理论中寿命。蓄电池的电池反应属于一个比较复杂的电化学系统，蓄电池由于电解液比重很大，浮充电流也重大，电极腐蚀的相当快，电极腐蚀消耗掉蓄电池内的氧气，使得电池变干。而且蓄电池在充电的时候是经化合反应储存电能的，在充电过程中，由于 板栅的腐蚀，使得化和的时候气体的化合速率比不上产生气体的速度，致使一部分气体外溢，所以造成了中间有部分的水损失；在充电的时候也会产生热量，虽然不会热量散失，但是如果没冷却不充分，会造成热失控。 以上资料表明，蓄电池用了将近 3-4 年后，蓄电池的容量会有较多损失，很难通过容量测试，蓄电池的实效，使得备用电源无法安全可靠的运行。而目前对于蓄电池的维护和检修，出了进行一些
16、必要的日常维护之外，比如，蓄电池的清洁，检查接触装置和导线的连接是否正常等，那就不得不使用各种仪器去检测，通电或者断电对蓄电池的运行状态和容量去检 测，以便及时发现有故障的蓄电池，从而换掉来提高蓄电池的使用率。 1.2 内阻测量法的蓄电池在线监测系统的发展趋势 蓄电池状态监测系统是为观察蓄电池自身状态而研究设计的一个系统。用内阻测量法来判断蓄电池的性能，实现在线监测，是目前公认的最佳方法之一。蓄电池的内阻和普通的电阻元器件不一样，蓄电池是有源器件，不可以用普通的万用表来测量，必须要用特殊的方法去测量，目前国内外常用的测量方法有：直流放电法，单一频率交流法，多频率电化学阻抗分析法。不同的测量方法
17、有着不同的评价和局限，不同的方法对同一个蓄电池也会得到不同的参 数值，不能说哪个是正确的或者说哪一个是错误的。就拿直流放电法来说，它是连接一个负载，让其短时间的大电流放电，仅仅维持几秒钟，电流范围从 25 安培到 70 安培甚至更大，放电电流大小取决于电池的容量和型号，电压的跌落和负载上电流的比值就是蓄电池的内阻大小。通过负载接通时候的瞬间电压降和断开负载的时候瞬间电压恢复，就可以得到相应的内阻。两次放电可以得到更精确的结果。它的优点是读数精确，实验的可重现性很高，测量出来的精确度高，控制的好的话，误差往往在 0.1%之内。 内阻测量法不仅可以对蓄电池进行日常维护，也可以对一些蓄 电池组工程进
18、行验收。仅仅依靠检测蓄电池的电压和电容两个数据很难判断一个电池的质量好坏，而蓄电池检测系统则可通过对电压，内阻等各项参数的监测，并对比不同环境测量所积累的测量数据，从而进行分析，判定蓄电池性能的好坏，这样大大提高了效率，也减少了维护人员的工作量，并能提早换掉不好的蓄电池，提高后备电源系统的可靠性，也有利于用户减少损失。 从各个方面表示，蓄电池的监测已经成为蓄电池的应用领域的研究焦点，怎么样实时实地的准确快速的对蓄电池的运行参数进行监测，并通过监测给出的参数进行分析比较，从而判断出蓄电池的工作状态 ，检查出存在问题的蓄电池，并进行及时的维护和替换，以此来保证系统的运行是正常的，这些方面无疑是目前
19、研究的重点。无论是国内还是国外对蓄电池的毕业论文 - 研究，蓄电池的温度还有内部电流大小的测量，这些方面的技术都是比较成熟的相对比而言，国外的蓄电池状态监测系统的技术比较成熟，相对于国外的先进技术，这些技术对我国继续深入的研究蓄电池监测系统可以起到导航和鼓励作用，让我们的研究有着一定的方向。 随着科技的不断进步，特别是无线技术以及自动化系统等方面研究的不断深入，使的这些技术也被运用到蓄电池监测系统中来。例如远程管理就被广泛运 用到现实中来，电池监测系统可以和集中监控系统联机，通过远程管理软件可以查看电池现在的运行状况，也可查看他的历史运行时间，如果发生意外，可通过监测过程发出的警报和信息，决定
20、派人去维护的可行性，这个再无人值班的变电站中被推广。 蓄电池的在线监测系统就是在蓄电池运行的过程中把蓄电池的真实运行状况很好的掌握好，确保蓄电池在遇到任何的突发运行下有足够的动力，所以说，蓄电池的在线监测系统具有很深远的意义：可以使得蓄电池得到很好的维护和检修，防止突然断电后造成的设备损坏或者防止因为断电而使得一些设备停止运行而引起的重大事 故或者巨大的经济损失；也有利于改善蓄电池的使用条件，延长它的使用寿命，掌握蓄电池容量的衰减状况，减少不必要的更换费用，也降低了维护费用，便于集中管理和管理的网络化。 1.3 课题的任务与要求 针对蓄电池的工作状态，采用内阻测量法设计蓄电池状态监测系统，完成
21、蓄电池在线监测设备中的节点模块软、硬件设计，并通过实时采集处于浮充状态下的蓄电池的内阻、电压、电流和温度等参数预测蓄电池性能。 1系统硬件设计 主要介绍系统结构及各部分特点，包括主、分控制器的硬件原理图及印刷电路板的绘制要点，包括内阻测量模块、共模电压测量 模块的硬件实现、 CAN 通讯等内容。 2.系统软件的设计 包括主控制器、分控制器的软件设计，模糊神经网络预测算法处理，及系统的 CAN 通讯总线设计等。 毕业论文 - 第 2 章 蓄电池在线监测系统的整体架构和基本原理 2.1 系统的整体架构 蓄电池在线监测系统是对蓄电池在线进行实时监测的系统。它能对蓄电池的电压、温度、内阻、充电和放电状
22、态等大多数参数进行实时监测。本系统采用一个主控模块加上多个节点模块组成。它能够对多个蓄电池的电压、温度、内阻等多个参数进行监测。 2.1.1 主控模块 主控模块是对蓄电池的总电压、总电流和环 境温度进行在线监测。该主控模块是由单片机、汉字液晶模块、 PVC 薄膜键盘、状态指示灯、通信接口、信号调理模块和电源模块构成。主控模块和节点模块是采用主从的方式去连接。 当节点模块检测出单体电池的电压、温度和内阻的数值之后，主控模块将对节点模块进行轮巡，从而得到所有节点模块上的检测结果并且将这些数据保存在主控模块的数据缓冲区用来给上位机查询，同时用外接直流电压、电流传感器去测量蓄电池组的总电压和总电流。C
23、OM0 口是用来连接节点模块的，所以这个通信口和节点模块在电气上是完全隔离的，用来保证蓄电池的安全。当然，主控 模块对节点模块的轮巡速度是可以通过参数进行设置和修改的。 2.1.2 节点模块 节点模块是连接在单个蓄电池正负极上的，可以直接从蓄电池上获取电源，并对各个蓄电池的单体电压、单体温度和单体内阻进行在线监测。与主控模块之间是通过标准的 6 芯扁平电缆串联在一起的，并组成了一个小型的监测网。蓄电池在线监测系统节点模块是由微处理器、电池单体电压测量电路、电池单体内阻测量电路和通信扩展电路几部分组成的。 节点模块对单体电压、单体温度是实时监测的，但对单体内阻只在主控模块发出内阻测量请求命令时才
24、进行内阻测量。而且测量结果保存 在节点模块内部，以便主控模块读取。可以通过修改主控模块的内阻测量周期来改变内阻测量的时间间隔，单位为秒。 2.2 蓄电池内阻测量方法 蓄电池是有源器件，所以它的内阻相对比普通的电阻元件不同，不能用普通的万用表来测量，必须通过特殊的方法去测量，当前最常用的测量方法分别为 :直流放电法，多频率电化学阻抗分析法，单一频率交流法。不一样的测量方法有其各自的评价和不足，不同的测量方法对同一蓄电池会得到不同参数，不能单一的说那个是正确的或者哪个是错误的。 （ 1）直流放电法 直流放电法又叫直流负载法，是用的最多也是最可靠的方 法之一。这个方法是连接一个负载，在短时间内进行大
25、电流放电，仅仅持续几秒钟，电流的范围从 25A70A 或者更大，这个主要根据电池的容量和型号来决定。而所测到的电压差和负载上的电流之间的比值就是电池的内阻。通过负载接通时瞬间产生的电压降和断开负载时瞬间的电压恢复，就可以算出相应的内阻。 2-3 次放电可以得到更加精确的结果，内阻计算可以表示为 R=(V1-V2)/(I1-I2)。 直流放电法的优点是可以很精确的读出数据，可多次测量，测量精度高，如果控制的好的话，测量时所产生的误差可以控制在 0.1%以内。当然直流放电法 的也有几个缺点，就是因为放电的电流比较大，容量小的电池没办法在 23 秒钟内负荷一个这么大的电流 ;当蓄电池有很大电流通过一
26、段时间的时侯，蓄电池的内部电极会产生极化现象，会产生极化内阻。毕业论文 - 所以测量的时间一定要控制在很短的时间内，不然测量出来的内阻值误差会很大 ;而且大电流放电也会对蓄电池内部的电极造成一定的损伤。而且直流放电法对电压瞬时变化的数值准确提取要求十分高，还要注意防止噪声干扰，像充电器和负载的影响。 （ 2）多频率电化学阻抗分析法 多频率电化学阻抗分析法是目前知道的最复杂的测量方法，它是通过电池来提供一个变频的交流信号去测量它的响应电流来评估一下电池的电化学特性，通过不同的频率可以进入电池的不同层面去检测它各层面不同的特性。 多频率电化学阻抗分析法已经在微型电池上使用过多年，也在分析航空和静态
27、电池的栅格腐蚀、失水上用过很多年。多频率电化学阻抗分析法能够通过观察电极的动力学反应从而可以对每天使用过的电池的变化进行分析和估计。能够在电池被腐蚀和其他等不利的情况下提供一些有用的阻抗数据。 多频率电化学阻抗分析法的一个难点就是对其测量的数据进行解释。测出那么多数据很容易，但是实际应用起来却是是很困难的。分析的数据十分 复杂，因为读取的数据不是对所有的电池所有的类型都一样或都那么普遍，就算是相同的型号不同的个体也各有不同。没有一份好的已定义的参考数据和软件来解释结果，那么所测得数据就没有太多有用的信息。 （ 3）单一频率交流法 单一频率交流法一般叫做交流电导法，它是给电池注入一个交流信号，电
28、池就会响应并产生一个电压和电流之间的相位差，根据这个来反映电池的状况，一般用于单个测量。 单一频率交流法可以测量出几乎所有的电池的内阻 ;而且交流法测量对电池自己本身没有多大的损害。单频率交流法的不足就是测量的精度没有直流放电法准确，测量的 精度会被纹波电流影响，同时还会受到谐波电流的干扰，这个对测量仪器在电路中的抗干扰能力是一个十分大的考验。 2.3 内阻在线监测的难点 在线监测蓄电池的内阻对监测设备来说是个不小的难题，因为监测出的准确度与之后分析的准确度密切相关。在在线监测的过程中，首先需要解决的就是充电机和负载的干扰问题。对一般情况而言，蓄电池的内阻是微欧数量级的小信号，一般的直流法与交
29、流法都很难得到很高准确度的参数，因为在线监测会有一些外在因素会影响到测量的过程，这也就是要我们在设计的过程中去克服的困难。 我们用瞬间产生的小电流放电来测量 蓄电池两端的电压变化，对各种外界干扰，我们也应该有相应的对策，一是通过对硬件电路的设计来削减硬件的低通滤波，二是应该在 AD 采集的数据中进行平滑滤波处理和用格布拉斯法来进行滤波，这样不但可以保证监测得到的内阻数据的准确、可靠和高重复，而且这样能根据内阻趋势数据很好的反应蓄电池的优劣，也能通过内阻数据分析来判断出容量下降的蓄电池。 毕业论文 - 第 3 章 节点模块硬件 节点模块主要是对单个蓄电池的电压、温度、内阻进行监测。模拟信号经过采
30、集、放大、检波滤波、 AD 转换后传送到单片机，然后再在单片机内部经过温度补偿滤波、软件校正后再把测量结果保存好。主控模块采用级联方式来和多个节点模块关联。而节点和节点之间，主控模块和节点之间在电气上市完全隔离的，从而达到系统的安全。节点模块的设计主要是用 2V 的蓄电池来设计的，而节点模块也主要分为电源处理、可控放电电路、内阻测量、电压测量、 MCU、通信等部分组成。 3.1 电源设计 3.1.1 电源原理设计图 图 3.1 电源原理图 3.1.2 电路实现 2V 的蓄电池在节点模块中电源处理如图 3.1 所示，电源的输入采用 SP6644 升压芯片，由 DC2V上升至 DC3.3V，效率可以达 90%左右。 RT1是热敏电阻 SMD1206P035TS-15， DZ4是 3.9V稳压管 ISMA5915BT3，输入电源的过流过压保护就是由这两个元器件组成的。 VDD 是稳定的模拟电源，用来防止数字电源和模拟电源之间产生干扰。 TC766O 可以产生 -3V 的电源，以供放大电路使用。电路在 PCB 时应让主要的两个输出电容尽量的靠近芯片的输出端，不然会造成输出的不稳定。 3.2 可控放电的设计 3.2.1 可控放电原理设计图 图 3.2 可控放电原理图
