铅酸蓄电池在线监测与维护系统设计

夏明 温国强 张伟

摘 要：铅酸蓄电池由于其优良性能得到广泛的应用。通过研究影响铅酸蓄电池使用寿命的各种因素，设计一套铅酸蓄电池在线监测与维护系统，该系统可有效监测蓄电池使用状态并制定科学合理的维护保养策略。

关键词：铅酸蓄电池 使用寿命 监测 维护

中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）009-132-02

铅酸蓄电池自发明以来由于其可以大电流放电、有较高的可逆性、电动势较高、原材料来源丰富、制造工艺简便、性价比高等特点，广泛用作启动型铅酸蓄电池、固定型铅酸蓄电池、牵引型铅酸蓄电池等。但在使用和存放过程中由于多种原因致使蓄电池使用寿命缩短甚至失效。本文针对蓄电池叉车中的牵引型铅酸蓄电池开发了一套在线监测和维护系统，可有效监控蓄电池使用状况，并提供智能维护保养策略，对于延长电池使用寿命，节约资源和降低生产成本都大有裨益。

1 影响铅酸蓄电池使用寿命的因素

1.1 充电过程

不当充电是影响电池使用寿命的重要因素。目前常用的蓄电池充电方式主要有恒流型和恒压型，其充电电流或电压和充电时间可根据蓄电池类型、使用环境等因素预先设定，但在充电过程中由于对蓄电池的状态缺乏实时监控，因此不能对充电方案进行及时调整，往往无法达到最优充电效果而影响蓄电池使用寿命。

1.2 电解液密度

目前，很多装运机械中的铅酸蓄电池长期使用同一种密度的电解液，这不利于延长蓄电池使用寿命。不同的环境温度下电解液的密度有不同的要求，冬季时，电解液密度过低既不能保证有效的电容量，又可能冻裂外壳；夏季时，电解液密度过高会加快极板的腐蚀，缩短使用寿命。

1.3 电解液液面高度

蓄电池中的电解液维持一定的水平非常重要。因为电解液不仅用来导电，而且能将产生的热量从极板转移出去。电解液液面应高于隔板顶部10～20mm，过低会使极板裸露而不再具有电化学活性，无法正常使用，从而降低电池寿命。

1.4 电池平衡性

装运机械中大多使用单体电池串联而成的电池组，在长期使用过程中可能由于各种因素导致电池组中各个单体电池之间产生不平衡性，电池组中性能较差的单体电池相对而言具有更高的过充电，更多的水损耗，甚至严重时在使用中会形成反电池效应，限制了整组电池的充放电，影响了电池组的使用性能和使用寿命。

1.5 电池长期存放

目前，国内以牵引型铅酸蓄电池作为能源的装运机械所占比例在不断上升。这类机械设备作业任务具有阶段性特点，当一次作业任务完成后，机械设备可能会长时间放置，在此期间如果对蓄电池组没有进行规范及时的充放电等维护操作，会使负极板放电产物硫酸铅微小颗粒变硬、晶体化，逐渐形成一种粗大坚硬的硫酸铅晶体，造成蓄电池失效。

综合以上因素，蓄电池的维护保养是一项繁琐且专业性较强的工作。蓄电池的不当维护操作，极易导致蓄电池的过早损坏，若出现蓄电池过早硫化等严重故障甚至会导致其报废。因此需要研发一套智能铅酸蓄电池维护保养管理系统，使用计算机进行集中管理，分布式控制，由计算机实时监控蓄电池组的各种信息状态并且提供智能维护保养策略。

2 蓄电池监测与维护系统

2.1 系统硬件设计

蓄电池监测与维护系统硬件主要由监控终端、监控中心和远程控制机组成，如图1所示。监控终端使用CAN总线将各个节点连接起来，CAN总线的每个末端节点为一块数据采集控制模块，负责采集电池组的各种信息参数，送给监控终端上位机以供显示、存储和控制决策，同时，接受来自上位机的决策命令，控制充电机和放电机对电池组进行智能化充放电。而监控终端上位机则接入内部局域网与监控中心相连，实时监控得到的电池信息数据通过局域网上传到监控中心数据库服务器并保存。管理人员可以通过远程控制机访问监控中心管理系统查看电池信息数据并实现对监控终端的操作，进而实现对电池充放电机的远程控制。

（1）数据采集控制模块。

数据采集控制模块使用MCU为核心单元，通过MCU自身的多路AD采集获取电池组信息。由于电池组单体电池较多，故使用总线模拟开关切换各路信息分别进行采集，以扩展采集信息接口。CAN通讯接口模块负责与监控终端机通信，上传电池组的端电压、电流、电池温度、电池液位等信息，并且接受监控终端机的控制命令对充放电机进行控制。充电机及放电机的程控接口负责MCU与充电机及放电机通讯，控制充放电机对电池组充放电，如图2所示。

（2）监控终端机。

监控终端机负责所有电池组的充放电控制以及信息显示，监控终端机上的监控软件可以实时显示电池的各种信息，并且对于问题电池给出报警定位。监控终端机监控软件可以编辑设置电池组的充放电策略以及报警参数等，同时还可将收到的电池信息参数实时存入本地数据库同时上传到监控中心数据库。

（3）监控中心机。

监控中心机主要运行智能铅酸蓄电池监控管理软件系统。该系统负责电池监测数据的存储和管理，同时提供远程控制机和监控终端机的通信平台使管理人员可以通过局域网查看实时监测数据并调整充放电策略，监控中心是整个系统的核心管理平台。

2.2 系统软件设计

本系统软件主要包扩监控终端模块的监控软件、监控中心机运行的智能铅酸蓄电池监控管理软件和数据库软件。其中核心控制软件智能监控管理系统是基于ASP.NET技术开发的B/S模式Web应用程序，客户端采用浏览器方式访问，所有的应用程序都建立在服务器端，因此极易维护。同时利用ASP.NET Ajax控件工具包为整个系统设计了完善的监测和控制界面并提供了强大的安全认证策略和控制授权机制。

3 结束语

在我国铅酸蓄电池使用量逐年增长的同时由于维护保养不当造成了蓄电池使用效率的过早下降甚至废弃，带来了电力、能源、资源的浪费和严重的环境污染。经实验证明铅酸蓄电池监测和维护系统能够有效地监控蓄电池的各种使用参数并提供科学合理的维护保养策略，从而延长电池的使用寿命，相信它的完善和推广将带来良好的经济和社会效益。

参考文献：

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[2] 张红润，李军鸿.铅酸蓄电池使用寿命影响因素与电池失效原因[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：60-61.

[3] 杨钢，朱诗顺，朱道伟，等.一种大容量牵引型铅酸蓄电池在线保养装置设计[J].军事交通学院学报，2011，13（11）：69-72.