一种基于SOH的机载蓄电池地面维护设备的实现

夏承成，王顺利，李占锋，马有良

（1.西南科技大学 信息工程学院，四川 绵阳621010；2.西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳621010）

0 引 言

镉镍蓄电池是常用的机载蓄电池，其荷电状态（State－of－Charge，SOC）和健康状态（State－of－Health，SOH）数据是评价蓄电池能否继续使用的重要参数。而SOH值的估计需要测量当前电池最大容量，最大容量又受到蓄电池电解液浓度、蓄电池内阻、使用环境温度、电池循环次数等多种因素影响，使得在实际应用中难以估计其真实值。

1 SOH估计方法研究

1.1 SOH的定义

SOH反映蓄电池老化情况，其定义公式：

式中，CM为当前蓄电池最大容量；CN为蓄电池容量标称值。一般而言，新蓄电池的SOH值往往大于等于100%，随着蓄电池的使用，其值逐步下降。在IEEE标准1188.1996中规定当电池容量下降到80%，即SOH＜80%时，电池就需要进行更换。

1.2 SOH检测方法

目前，SOH的检测方法有两种：

一种是对蓄电池进行放电试验。对充满电的蓄电池进行放电试验，恒流放电到蓄电池剩余容量的零点，计算这个过程中电池的容量为其当前状态下的最大容量。充放电试验是最直接的，也是工业领域公认的可靠方法，但是需要消耗大量的时间和人力，并且不能够实时监测SOH。

另一种方法是检测蓄电池的内阻。从研究蓄电池内阻和SOH的关系来间接估计SOH值，当SOH下降时，蓄电池内阻增大。但是SOH与内阻呈高度非线性，使得该方法难以实现精确的估计。

对于机载蓄电池的地面维护情况，维护人员更看重蓄电池最大容量的估计精确度，而对时间的要求不怎么重视。实际上，在完成合格检验后往往还需要将被测电池充满电才完成整个维护过程。针对地面维护情况，本文采用第一种方法，即放电试验法来估计蓄电池的SOH。

2 维护设备设计

针对地面维护过程消耗大量时间的特点，设计了对蓄电池进行自动维护的设备——BMTS－2蓄电池组维护设备。

2.1 硬件系统设计

BMTS－2硬件方面包括了工控机、数控电源、电子负载、控制回路、蓄电池接口电路以及通信回路，其结构示意图如图1。

图1 BMTS－2维护设备硬件结构示意图

工控机作为核心控制设备，完成对数控电源、电子负载以及控制回路的控制功能，包括开启、关闭和设置电压、电流值；同时，对采集数据的处理功能也是由上位机完成，包括计算SOH，逻辑判断以及更新人机界面信息。数控电源和电子负载分别作为蓄电池的电源和负载完成充放电功能，对充放电电流的限制也由该部分进行控制。控制回路通过继电器完成各个回路的开闭状态，同时也承担检测蓄电池端电压、回路电流的功能。工控机与各个设备间采用RS485进行通信，保证了通信的传输速率和抗干扰能力。

2.2 软件系统设计

系统软件采用Visual Studio 2010下的C＃编程实现。Visual Studio是美国微软公司开发的工具包系列产品，是一个完整的开发工具集。C＃是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NEW Framework上的高级编程语言。C＃保留了C和C＋＋的优点，去掉指针以保证程序的安全性，并最大限度的保留编程习惯让开发人员能够迅速熟悉C＃的开发环境；同时由Visual Studio提供丰富的控件，方便开发人员快速开发出人机界面，缩短程序开发周期。

2.2.1 软件功能结构

维护设备一方面要实时监控蓄电池充放电的实时信息，响应用户对其的操作；另一方面要计算维护过程中蓄电池放出的电量，并在维护过程中提供对蓄电池充电的安全管理。基于以上因素将软件功能分为：参数设置、维护功能、计量功能以及数据管理几个功能。软件功能结构如图2。

2.2.2 参数设置功能

在地面维护过程中，设备需要维护不同型号的蓄电池，其充放电电流、停止电压、额定容量等参数都不尽相同，出于提高设备的泛用性目的，软件提供参数设置功能，允许设置不同蓄电池参数模型，用以存放不同蓄电池参数信息，提供不同的判断依据和充电方式。不同的模型间相互独立并存入数据库，用户在使用中只需要选择电池型号即可完成操作。

图2 软件功能结构

2.2.3 维护功能

维护功能是维护设备的核心功能，完成对蓄电池的整个维护过程的控制。维护功能完成的工作：实时采集蓄电池端电压和回路电流；对采集量进行处理，计算SOH；判断电压、电流是否在设定限制区间以及SOH是否合格，并采取相应的对策；显示电压、电流曲线，显示蓄电池电量信息及设备工作状态信息，如图3所示。

图3 维护功能界面

为提高系统的扩展性和兼容性，功能的实现被分为多个功能模块：通信传输模块，逻辑处理模块和数据管理模块。

（1）通信传输模块

通信传输模块负责与电子设备进行通信。因为数控电源和电子负载采用不同的通信协议，所以在该模块内再细分SPCI模块与Modbus模块分别管理与数控电源和电子负载的通信功能。

（2）逻辑处理模块

逻辑处理模块的核心是SOH判断功能和维护过程控制功能。

对蓄电池SOH的判断标准有两个，新电池的SOH必须大于100%才算是合格产品；当电池使用一段时间后，其SOH会降低，此时需要将80%看作是合格与否的判断标准。因为就蓄电池本身而言缺少记录使用时间的硬件设置，其SOH合格判断标准的选择将由维护工作人员来进行选择。

维护过程控制功能内定义了多种充放电方式，包括恒流充电、分段充电以及恒压充电，过压保护、欠压保护、充停判断。该模块的作用是判断维护过程进行的阶段，并采取相应的保护动作防止过度充电与过度放电，保持蓄电池有一个稳定可靠的充、放电环境。

（3）数据管理模块

数据管理模块负责将采集、处理后的数据保存到数据库中。在实际测试中，会发生通信干扰或者蓄电池连接线故障等异常，将对数据的采集产生影响，所以在保存过程中，需要对异常的数据进行筛选。此外，在该系统中为了最大限度发挥工控机的性能，设计了4个维护通道，同时对4组蓄电池进行维护和SOH检测。

2.2.4 计量功能

计量功能用于对设备测量能力进行检验，对使用到的数控电源、电子负载和电压表等提供计量功能，以检验设备本身的测量精度。

2.2.5 数据管理

数据管理提供对采集数据的查询、搜索和导出，用于对维护数据进行分析。

3 实验结果与分析

3.1 容量检验试验

为检验维护设备实际工作性能，选用实际蓄电池进行测试。选用的蓄电池标定容量为2.2 Ah，其充电截止电压为28 V，放电截止电压为15 V，采用0.2C即440 mA进行放电。

进行实验前，先将蓄电池放电到截止电压，再重新充满电，以确保电池充满电。然后进行放电试验，计算蓄电池当前状态下的最大容量。从28 V开始以电流440 mA持续放电到15.01 V停止，期间放出电量2.34 Ah，该电池SOH 值为106.4%。

图4为放电试验期间电量与时间关系曲线，X轴为采集点序号，采集周期为1分钟一次。Y轴为当前蓄电池放出电量，取其最后时刻的值作为蓄电池当前最大容量。

图4 放电过程容量—时间曲线

3.2 单样本多次维护数据记录

将该电池进行多次放电试验，记录其放电电量并计算SOH，检验该方法的可靠性。多次实验数据如表1。

表1 单样本多次实验数据

从实验数据可以看出，设备能够准确跟随蓄电池电量变化并计算得出SOH值。

3.3 多样本数据对比

取多个同型号样本进行测试，实验数据如表2。其中，1号电池为上述实验电池，2～5号电池为厂方提供新电池，6、7号为使用超过1年返厂维护的蓄电池，8～10号为报废电池。

表2 多样本实验数据

从实验数据中，新电池SOH大于100%，长期使用后SOH降低；当SOH低于80%，判断其不合格。设备检验结果与实际相符合。

4 结 论

基于SOH检验的蓄电池维护装置采用稳定、可靠的检验方法，提供准确的检测数据和检验结论，利用计算机自动化维护给维护人员提供简洁方便的操作方式，满足机载蓄电池地面维护需求。

［1］李 刚，谢永成，李光升，朱 琪.基于自适应神经网络推理系统的SOH预测［J］.微型机与应用，2011，30（22）：82－84.

［2］张 斌，姜久春，朱利勇，时 伟.基于Labview的动力蓄电池维护及测试系统的监控设计［J］.机械与电子，2010，7（1）：276－279.

［3］乔波强，侯振义，王佑民.蓄电池剩余容量预测技术现状及发展［J］.电源世界，2012，2：21－26.