杭州利瑞特蓄电池 应急电源成员之一

一、铅蓄电池的基本构造 

　　1.阳极板(过氧化铅.PbO2)―> 活性物质。2.阴极板(海绵状铅.Pb) ―> 活性物质。3.电解液(稀硫酸) ―> 硫酸(H2SO4) + 水(H2O)。4.电池外壳。5.隔离板。6.其他(液口栓、盖子等)。 

　　二、铅蓄电池的工作原理 

　　(一)铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式 

　　PbO2+2H2SO4+Pb―>PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应) 

　　PbSO4+2H2O+PbSO4―>PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应) 

　　(二)铅酸蓄电池电动势的产生 

　　铅酸蓄电池充电后,正极板二氧化铅(PbO2),在硫酸溶液中水分子的作用下,少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质--氢氧化铅(Pb(OH)4),氢氧根离子在溶液中,铅离子(Pb4+)留在正极板上,故正极板上缺少电子。 

　　铅酸蓄电池充电后,负极板是铅(Pb),与电解液中的硫酸(H2SO4)发生反应,变成铅离子(Pb2+),铅离子转移到电解液中,负极板上留下多余的两个电子(2e)。 

　　可见,在未接通外电路时(电池开路),由于化学作用,正极板上缺少电子,负极板上多余电子,两较板间就产生了一定的电位差,这就是电池的电动势。 

　　(三)铅酸蓄电池放电过程的电化反应 

　　铅酸蓄电池放电时,在蓄电池的两较板电位差作用下,负极板上的电子经负载进入正极板形成电流,同时在电池内部进行化学反应。负极板上每个铅原子放出两个电子后,生成的铅离子(Pb2+)与电解液中的硫酸根离子(SO42-)反应,在较板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。正极板的铅离子(Pb4)得到来自负极的两个电子(2e)后,变成二价铅离子(Pb2+),与电解液中的硫酸根离子(SO42-)反应,在较板上生成难溶的硫酸铅(PbSO4)。正极板水解出的氧离子(O2-)与电解液中的氢离子(H+)反应,生成稳定物质水。电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极,在电池内部形成电流,整个回路形成,蓄电池向外持续放电。放电时H2SO4浓度不断下降,正负极上的硫酸铅(PbSO4)增加,电池内阻增大(硫酸铅不导电),电解液浓度下降,电池电动势降低。 

　　三、铅蓄电池的典型故障――较板硫化 

　　蓄电池内部较板的表面上附着一层白色坚硬的结晶体,充电后依旧不能剥离较板表面转化为活性物质的硫酸铅,这就是硫酸盐化,简称为“硫化”。硫化表象是电池内阻增大,放电容量下降,充电较未硫化前电压提前到达充电终止电压,严重时可导致充不进电。 

　　铅蓄电池在正常使用的情况下,正、负极板上的活性物质(PbO2和Pb)大部分变为小粒晶状的硫酸铅。这些松软小粒晶状的硫酸铅是均匀地分布在多孔性的活性物质上,在充电时很*和电解液接触起作用,恢复为原来的物质PbO2和海绵状的Pb。如果对铅蓄电池使用维护不当(经常过放电,经常充电不足,甚至经久搁置,不予充电恢复等),较板上的活性物质便逐渐形成较粗而坚硬的硫酸铅,这些粗而坚硬的硫酸铅晶体导电性差,体积大,因而会堵塞较板活性物质的细孔,阻碍了电解液的渗透和扩散作用,增加了电池的内电阻。同时,在充电时,这种粗而硬的硫酸铅不如松软小晶粒的硫酸铅*转化为PbO2和海绵状的Pb,倘若历时过久,这些粗而硬的硫酸铅就会失去可逆作用,结果使较板的有效物质减少,放电容量降低,使用寿命缩短。在较板上有白色的斑点出现,这种现象叫做不可逆硫酸盐化。 

　　已硫化的蓄电池,能用一定的方法修复。目前的修复方法有物理修复和化学修复两种,不过都需要专业的修复仪或专业的修复人员。对于我们中学生而言,只要我们掌握其正确的使用方法和使用中正确维护,那么就可延缓蓄电池的硫化,从而延长蓄电池的使用寿命。 

　　四、蓄电池的正确使用和维护 

　　1.长时间不用时,需充足电保存,并每月补充电一次。 

　　2.严禁过放电。电动车每只蓄电池电压是12V,较低保护电压是10.5V,当达到较低保护电压时不能在继续使用,且须及时充电。 

　　3.充电时环境温度应在10摄氏度到30摄氏度之间,并保持良好的通风。较低的温度将影响充电效率,甚至会导致硫化;较高温度会引起热失控,充鼓电池。 

　　4.严禁过充电。过充电会造成较板活性物质脱落,使电池寿命提前终止。 

　　5.因使用中电池的反复充放电,有少量水分损失,当电池使用8―10个月后,须及时补充水分。方法是旋下六个安全阀,给以每单格加纯净水或蒸馏水5―6ml,中间每单格多加1―2ml。特别注意:非纯净水或蒸馏水严禁加入。 

　　6.当电池容量下降百分之三十时,应对电池进行维护,使其恢复容量,以延长使用寿命。 

通信机房设备在使用蓄电池应急供电时，针对蓄电池工作状态的各参数进行实时远程监测，并能根据电压阈值手动或自动控制负载的通断，保护蓄电池避免亏电损坏和确保设备正常运行的功能需求，综合运用单片机结合电子测量技术、通信技术和计算机软件技术，从软硬件和协议的设计实现入手开发本系统，为蓄电池远程监测和控制提供了有效的解决方案，并可方便推广应用到其他需要实时监控蓄电池的场合。 

　　【关键词】电池监测器 STC单片机 AT指令 远程监控 欠压保护 

　　近年来，随着通信行业的飞速发展，通信机房和机房设备总量大幅增加，通信运营商出于对其服务质量提升的要求，机房监管趋向无人值守和远程集中管理。通信机房往往给诸如传输设备、服务器及监控摄像头等用电设备配置有蓄电池作为备电，以便在市电停电时能支撑设备运行一段时间，而除了高端的UPS系统之外，普通蓄电池的工作状态缺乏有效的监控手段，比如需要实时远程了解蓄电池的电压、电流、温度和电量等关键参数，并在蓄电池将要亏电的情况下切断负载来保护蓄电池的使用寿命。于是需要设计开发一套可在局域网或广域网中使用的通信机房电池组远程监控系统，以满足尤其是中小型机房蓄电池的监管需求。 

　　1 总体设计 

　　本系统整体架构分为下位机和上位机两部分。其中下位机包括微控制器板、?池监测板、通信适配模块、继电器模块、温度传感探头五个组成部分；上位机软件则部署在一台计算机上，与下位机通过以太网连接。系统总体结构如图1所示。 

　　微控制器板选用工业级抗干扰能力强的高速1T单机器周期指令单片机STC15W204S开发。电池监测板核心组件采用集成度高的电池监测器DS2438芯片。通信适配模块内嵌有TCP/IP协议栈，提供微控制器UART串口转以太网Ethernet功能，实现有线联网，也可以增加无线WIFI模块，实现无线联网。在计算机端则使用易于上位机开发的虚拟串口方式进行通信。继电器模块用于接通和关断负载用电设备和蓄电池之间的连线，采用底成本的机械继电器即可。电池监测器芯片内部已带有直接数字化的温度传感器，可监测芯片内部工作温度，在本系统中用于监测机房环境温度。但要监测蓄电池的温度，且要考虑方便安装则需要另外的温度传感探头，此处优选金属壳贴片式DS18B20便于粘贴蓄电池表面测温。机房环境温度和蓄电池表面温度两者具有相关性，可更精确的融合判断蓄电池工作情况。 

　　上位机软件通过计算机的以太网物理端口（逻辑上则是虚拟串口）向下位机发出自定义好的AT指令。指令数据先通过通信适配模块转换，即IP包数据流转换成串口TTL电平数据流，并被微控制器STC15W204S的UART口接收。再由微控制器响应具体的指令请求来控制电池监测板，如读取DS2438芯片中的电池电压、电流、电量和芯片温度对应的寄存器值，以及读取DS18B20的温度值，随后经过微控制器解析与转换数据格式，再回传至计算机上位机窗体中显示。通过上位机可远程控制继电器模块通断负载，也可预先设置蓄电池欠压保护阈值来自动通断负载，避免蓄电池亏电使用。 

　　2 电池监测器 

　　作为电池监测板的核心部件DS2438，其片内具备一的64位硅序列号，自带40字节非易失EEPROM存储器存储电池相关参数，与微控制器之间使用1-Wire接口，除地线外仅需1条连线。在单一芯片内即可完成对电池的电压、电流、温度和电量的数据采集，并内置优化算法，采样数据准确度高。 

　　DS2438的状态配置寄存器内为较经常访问的数据，具体位的数值为0或1。格式如图2所示。 

　　IAD为电流A/D控制位，1表示电流A/D和ICA启用，电流测量将以36.41Hz的频率采样，0表示电流A/D和ICA被禁用。CA 为电流累加器配置位，1表示CCA/DCA启用，数据将被存储并能取回数据，0表示CCA/DCA被禁用。EE为电流累加器映射选择位，1表示每次相应的寄存器递增时CCA/DCA计数器数据能够被映射到EEPROM，0表示CCA/DCA计数器数据将不会映射到EEPROM，随着电池组放电CCA/DCA可能会丢失。AD为电压A/D输入选择位，1表示电池输入VDD被选作DS2438电压A/D转换器的输入，0表示通用A/D输入VAD被选作DS2438电压A/D转换器的输入。对于任一种设置电压转换命令将会初始化电压A/D转换器。以上寄存器位的默认值都是1。 

　　TB为温度忙碌标志，1表示温度转换正在进行， 0表示温度转换完成。NVB为非易失性存储器忙碌标志，1表示从中间结果暂存器复制到EEPROM正在进行，0表示非易失性存储器不忙。复制到EEPROM可能要花费2ms到10ms，在低供电电压下花费时间更长。ADB为A/D转换器忙碌标志，1表示电池电压的A/D转换正在进行，0表示转换完成或没有测量值要被转换，A / D转换大约需要10 ms。X为无用位。 

　　DS2438初始化配置操作程序实现举例： 

　　void ds2438_init（void） //初始化配置寄存器 

　　{ 

　　WritePage（page（0））； //写**页，即page0的地址 

　　WriteByte（0X07）； //设置page0配置寄存器Byte0为：IAD =1，电流A/D启用； 

　　//CA=1，启用电流累加器；EE =1，电流值、累计值映射到EEPROM； 

　　//AD =0，电压输入选择为通用电压输入；其它为状态标志 

　　CopyPage（page（0））； //将page0的瞬时电流、电压、温度等易失数据 

　　//复制到片内EEPROM存储 

　　} 

　　void WritePage（unsigned char PageX） //写DS2438中间结果暂存器PageX 　　{ 

　　reset_presence（）； //发送复位脉冲 

　　WriteByte（0xCC）； //跳过读取64位芯片编号，节省时间 

　　WriteByte（0x4E）； //写堆栈指针 

　　WriteByte（PageX）； //写寄存器PageX地址 

　　} 

　　3 通信协议设计 

　　上位机和下位机之间通过自定义的通信协议进行双向通信。下位机向上位机发送数据为上行通信，上位机向下位机发送数据为下行通信。协议设计要考虑松耦合、可扩展和便于维护，上下位机之间方便并行开发，而AT指令一般应用于终端设备与PC应用之间的连接与通信，已被大家普遍认同，本设计借鉴并发展了AT指令。有开发能力的用户也可根据本协议自行开发上位机软件。串口通信波特率默认为9600bps-8-N-1，信息帧为ASCII码，可通过串口调试工具进行协议验证调试。 

　　3.1 上行数据通信协议设计 

　　上行数据样本举例解释如下（电流的+-表示电流方向，+表示充电，-表示放电；字段间以“，”作为分隔符）： 

　　$000000D3C19A，VOL=13.252V，CUR=-10.170A，BAT=18.226C，CHIP=13.513C，QUA=18934mAh，REL=1，CLO=10.8V，OPE=11.8V 

　　$符号作为起始字，代表上行数据开始。“监测板ID”即DS2438序列号为000000D3C19A。“当前电压”值为13.252V。“当前电流”值为-10.170A。“电池温度”值为18.226摄氏度。“芯片温度”值为13.513摄氏度。“电池电量”剩余值为18934mAh。“负载通（1）断（0）”表示当前负载为接通状态。已预设的“欠压关断负载值”为10.8V。已预设的“恢复接通负载值”为11.8V。数据末尾带回车换行。 

　　“欠压关断负载值”和“恢复接通负载值”之间保留1V电压间隔是为防止蓄电池电压在阈值临界点附近因抖动导致继电器不断在关断和接通之间跳动。 

　　3.2 下行数据通信协议设计 

　　（1）“查询”指令：ATG 

　　即请求一条包含当前所有状态值的上行数据，返回举例： 

　　$000000D3C19B，VOL=10.707V，CUR=0.536A，BAT=+30.080C，CHIP=+27.156C，QUA=1077mAh，REL=0，CLO=10.8V，OPE=11.8V 

　　考虑到下位机采集数据和转换数据需要时间，上位机在操作两次“查询”指令时较小时间间隔为2秒（亦为缺省值，较大间隔为1小时）。 

　　（2）“关断负载”指令：ATC，返回：OK。操作后REL=0，用于控制继电器模块关断蓄电池给负载的供电。 

　　（3）“接通负载”指令：ATO，返回：OK。操作后REL=1，用于控制继电器模块接通蓄电池给负载的供电。本指令受“欠压关断负载值”约束，当电池电压在低于“欠压关断负载值”时，操作ATO指令接通负载无效。 

　　（4）“欠压关断负载值”配置指令：ATL。举例：ATL10.8，返回：OK，操作后CLO=10.8V。 

　　（5）“恢复接通负载值”配置指令：ATH。举例：ATH11.8，返回：OK，操作后OPE=11.8V。以上每条指令和返回的数据末尾带回车换行。 

　　4 上位机软件功能设计 

　　上位机软件基于JAVA语言开发，开发平台为Eclipse Java EE IDE for Web Developers，使用RXTX串口API包mfz-rxtx-2.2-20081207-win-x64。上位机在Windows7及以上64位操作系统上运行需Windows 64-bit版本的JRE支持。软件功能窗体如图3所示。 

　　“通信端口”默认自动选中当前可以使用的端口号，可选择“打开”或“关闭”端口。点击一次“手动查询”获取一次数据，并刷新窗体右侧数据。“恢复缺省值”，用于恢复出厂设置，即还原“欠压关断值”为10.8V和 “恢复接通值”为11.8V，其实是通过发送一次ATL10.8和ATH11.8组合指令实现。“关断负载”用于远程关断蓄电池给负载的供电，“接通负载”用于远程接通蓄电池给负载的供电。点击“自动查询”后将按照所设定的时间间隔自动获取数据并刷新窗体右侧数据。时间间隔可以设置为2～3600秒，即较小间隔为2秒（亦为缺省值），较大间隔为1小时。“欠压关断负载值”用于设置电池放电保护电压，低于此值负载自动与蓄电池断开，缺省值为10.8V。“恢复接通负载值”用于设置在蓄电池欠压保护后再次接通负载时所要达到的电压值，缺省值为11.8V。“电池标称电量”需预先手动录入。窗体右侧数据显示区中的负载“总功率”、负载“总电阻”、“电池电量”和“电量百分比”由相关数据计算得出。窗体较下方设有指令交互显示栏，便于监视当前正在交互的每条上下行原始数据。