蓄电池组寿命估算系统的研究与开发

郝金玉，王 伟

应用研究

蓄电池组寿命估算系统的研究与开发

郝金玉1，王 伟2

（1. 海军驻大连地区第一军事代表室，辽宁大连 111600；2. 中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

本文介绍了通过假定周期估算电池组寿命的方法，开发了蓄电池组寿命估算系统，对其功能、结构和工作原理进行了分析与论述。详细阐述了系统内主回路测量模块和监控主机的架构、软硬件设计方案，以及假定周期的计算和校准算法。设计成果可应用于船舶动力蓄电池组的在线监测和智能诊断。

蓄电池寿命 假定周期 蓄电池组电压测量 蓄电池组电流测量

0 引言

常用蓄电池的循环周期数来指代蓄电池寿命[1]。在实际应用中，通常不会把蓄电池组的容量完全放光才开始充电，而是消耗了一定电量后即进行补充充电。为了在实用中能估算蓄电池的寿命，引入了假定周期的概念，当充电或放电容量累计达一定值时，等同于蓄电池进行了一次完整的充放电循环。通过测量蓄电池组的充、放电累积量，就能计算其假定周期数，从而估算蓄电池的剩余寿命。

1 蓄电池组寿命估算系统架构设计

本系统的目的是对蓄电池组使用寿命的情况进行估算和显示，主要实施手段是实时检测并记录蓄电池组的电压、充放电电流等参数，根据有关算法计算充放电安时、假定周期，并用于估算蓄电池组的寿命情况。

图1 蓄电池组寿命估算系统架构图

系统分为主回路测量模块和监控主机，如图1所示。测量模块用于对每组蓄电池的电压、电流进行检测，对电池组的充放电状态进行判断，并计算电池组当前的充放电安时数。监控主机通过CAN总线接收各测量模块发送的数据，计算每组蓄电池的假定周期，并具有对各参数显示、存储与校准的功能。监控主机可通过以太网或CAN总线等通讯接口发送监控数据或接收校准指令，与单体蓄电池的在线监测装置等其它设备共同构成全船自动化监控系统[2]。

2 主回路测量模块设计

主回路测量模块具有的功能，首先是对蓄电池组的直流电压、电流进行调理和隔离，转化为与AD采集能力相匹配的电平信号，然后微处理器控制AD采集并计算蓄电池组电压、电流、充放电状态与安时，最后微处理器操作CAN通信接口向监控主机发送检测结果。

测量模块的检测范围须与蓄电池组的输出能力匹配，本文以单组最大输出电压1000 V，最大电流10000 A的船舶动力系统为例进行设计。

2.1 硬件设计

测量模块的硬件分电源、分压电路、分流电路、电压隔离运放、电流隔离运放、AD采样、微处理器、存储器、通讯电路等部分，如图2。

图2 主回路测量模块电路设计

电源电路输入24 V，输出有±15 V和5 V，其中±15 V用于隔离放大和AD采样，5 V用于微处理器和通讯运行。

分压电路通过串联的电阻R1和R2将蓄电池组电压进行衰减输出。电路的输入是蓄电池组的正极和负极，R1应为1 MΩ以上。电路的输出接隔离放大器，为了与AD采样电路匹配，最大输出电压应为5～10 V，且为保证测量精度，R2应小于50 kΩ。可选择R1为3.5 MΩ，R2为30 kΩ，蓄电池组输出1000 V时，分压输出8.498 V。

分流电路包括分流器和信号放大两部分。分流器是测量直流电的仪器，具有固定的电阻，串联在直流母排上，电流通过时，其输出的端子间产生压降。选择合适的分流器，放电10000 A时输出电压100 mV，充电2000 A时输出电压-20 mV[3]。分流器输出的是毫伏级信号，若直接通过隔离运放转换为幅值5～10 V的信号会导致干扰和电路偏差也被放大，经试验证明检测精度误差较大。因此，本分流电路设计了一级信号放大，通过低功耗高精度的通用仪表放大器，先将毫伏信号放大，再输入隔离运放，可大幅提高电流的检测精度。

隔离运放电路的功能是对蓄电池组的主回路和控制电路进行隔离，确保AD采样、微处理器等控制电路不受电力系统的电磁干扰，同时电压、电流信号又能不失真地传输至控制回路[4]。设计2路隔离运放，前端输入分别是分压电路，分流电路，后端输出是AD采样电路。选用AD277隔离运算放大器，隔离等级3000 V，放大倍数设计为1倍。

AD采样芯片选用AD7606，支持对±10 V的模拟输入信号进行模数转换，采样分辨率16位，每个通道的采样速率为200 K/s，测量结果通过SPI总线与微处理器连接。微处理器选用STM32系列ARM处理器，工作主频设置为72 MHz。存储器采用铁电存储介质，由于测量模块读取数据次数少，写入次数较多，相比于E2ROM等器件，铁电存储器的寿命内可擦写次数更多，完全满足测量模块要求。通讯电路使用标准的隔离CAN通信模块，隔离等级2000 V。

2.2 软件设计

主回路测量模块软件使用C语言编写，通过AD芯片，采样并计算蓄电池组的电压、电流、充放电状态和安时等参数。软件通过数字滤波对AD采样的组电压、组电流等信息进行平滑处理，滤除高频噪声的干扰，稳定采样结果。软件还具有安时数据的存储和读取功能。测量程序的流程如图3所示。

电压的测量方法如下，软件通过SPI总线持续读取AD芯片的蓄电池组电压信号通道，对100 ms内采集的大量电压数据进行数字滤波，使电压测量值稳定、准确，再根据硬件电路分压与放大的倍数，计算蓄电池组的测量电压。输出结果的范围是0～1000 V，分辨率0.1 V。

电流的测量方法与电压类似，软件通过SPI总线持续读取AD芯片的蓄电池组电流信号通道，对100 ms内采集的大量电流数据进行数字滤波，并根据硬件电路分流与放大的倍数，计算流过蓄电池组母排的电流。测量结果为正代表放电，为负代表充电，输出范围是-10000 A～10000 A，分辨率1 A。

安时的计算通过定时器中断实现，微处理器的主频是72 MHz，定时器计数设置为3.6×107，每过0.5 s，进入中断服务程序，此时软件读取最新的电流测量结果，若测量结果为正，则对放电安时进行累加，计算方法：新放电安时= 原放电安时+ 电流幅值× 0.5 ÷ 3600

图3 主回路测量模块软件流程图

若电流测量值为负，则对充电安时进行累加。每进入中断服务程序120次，即一分钟，软件将当前充、放电安时信息写入存储器，以防止系统断电丢失数据。每次模块重新上电后，软件都会首先从存储器读取安时数据，再开始参数测量。

软件操作CAN接口定时向监控主机发送数据，包括蓄电池组电压、电流、充电安时、放电安时，以及蓄电池组的编号。

3 监控主机设计

监控主机采用工业计算机，须具有CAN通信接口，以太网口，运行国产Linux操作系统，软件编程环境为Qt，数据库MySQL[5]。

3.1 软件架构设计

监控主机软件主要完成数据接收、处理、显示、存储、查询、导出，以及参数读取、设置、校准等功能。程序由三个线程组成。主线程实现假定周期计算、报警判断、假定周期校准、界面数据刷新显示等功能，显示的数据包括各组蓄电池的电压、电流、充放电状态、安时、假定周期、报警信息。信号发送接收线程实现数据的发送和接收。数据库线程实现数据的存储、历史数据查询及导出。三个线程在初始化后并行运行，可有效提高程序的稳定性和响应速度。

3.2 假定周期计算与校准

蓄电池组在实际使用中，寿命的损耗情况可以用假定周期来表征。以船舶用的动力铅酸蓄电池为例，假定周期计算公式如下：

式中为假定周期数（次）；为充入总电量（Ah），由系统中的主回路测量模块获取；C3为3 h率的额定容量（Ah），是反映蓄电池额定容量的固定参数，由蓄电池生产厂家提供[6]。

考虑到蓄电池在充电工作时未开启主回路测量模块，或者蓄电池组在未安装本寿命估算系统前已经使用若干周期等情况，为反映蓄电池的真实寿命，可通过人机界面进行假定周期的手动校准。校准方式之一是直接对假定周期数进行增减，通过人机界面输入后直接生效。方式之二是对充电安时数进行校准，例如某日蓄电池组以800 A恒电流充电3 h，充入能量累计2400 Ah，由于操作失误未开启测量模块电源导致累计安时数据失真，可在开启测量模块后，通过人机界面输入需校准的安时数，监控主机软件通过CAN总线发送校准指令对测量模块存储的安时数据进行校正。

4 结论

通过对蓄电池组寿命估算方法和装置的研究，设计了主回路测量模块和监控主机，运用CAN通信网络组建了蓄电池组寿命估算系统。系统具有检测并呈现蓄电池组工作状态和假定周期的功能，并且可对假定周期数进行校准，能准确估算蓄电池组的寿命损耗情况，对动力系统的安全稳定运行有重大意义。

[1] 朱松然. 蓄电池手册[M]. 天津: 天津大学出版社, 1998.

[2] 刘昊, 黄凌, 樊霈. 一种船用蓄电池监测器的低功耗设计[J]. 船电技术, 2019, 39(9): 18-22.

[3] 罗颖, 谢小军, 朱才溢, 宋健. 大电流检测技术探讨[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2020(3): 32-34.

[4] 赵红强, 徐建源. 模拟信号隔离技术用于高压电器监测[J]. 电气时代, 2005(2): 72-75.

[5] 李峰. 基于国产平台的工控组态软件的设计[D]. 太原: 中北大学, 2019.

[6] 彭澎, 司凤荣. 船用长寿命铅酸蓄电池研究[J]. 船电技术, 2013, 33(1): 28-30.

Research and Design of Battery Life Cycle Estimation System

Hao Jinyu1, Wang Wei2

(1. No.1 Navy Force Representative Bureau in Dalian, Dalian 1116000, Liaoning, China; 2. China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

TM612

A

1003-4862（2021）02-0032-03

2020-09-07

郝金玉（1979-）,男，工程师。研究方向：船舶工程。E-mail: csic712cy@163.com