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1 引言
蓄電池是一種以放電方式輸出電能，以充電方式吸收、恢復電能的電源。由蓄電池組構成的低壓直流電源，是船舶低壓直流推進供電系統中的關鍵設備。對蓄電池的維護管理不當將直接影響蓄電池的使用效果和壽命，甚至直接損壞蓄電池，從而影響供電系統工作穩定性，嚴重情況下還會導致安全事故。通過在線測量蓄電池組的參數，可以及時了解蓄電池的工作狀態、工作特性及蓄電池需要維護與否，因而蓄電池組的在線監測系統的研制勢在必行。傳統的蓄電池電解液的密度監測采用的是比重計測量法。由于比重計測量法難以實現自動化監測，因而改為采用超聲波監測法。
超聲波是指頻率在20kHz到無線電高頻段的聲波。超聲波測量技術與回聲測量法相似，只是前者為超聲波，而后者是普通聲波。超聲波測量法根據從目標返回的超聲波的變化，可研究被測量目標的質地、距離，所以適合于用作電池電解液密度的監視，也可以監測電池液位的變化。由于現代對超聲波理論、超聲波應用技術以及超聲波設備都已達到相當成熟的階段。超聲波用于電池的監測工作無需從頭開始。
2 測量原理
如圖1所示，從不同研究人員的測量結果中不難看出，在某一溫度下超聲波速度與電解液密度之間存在一定的非線性關系，可以通過實驗的方法描繪出不同溫度下的非線性曲線，然后將這些非線性關系輸入計算機，從而可以通過超聲波速度求出對應的電解液密度值，從而達到測量電解液密度之目的[1]。
圖1 不同人員在不同溫度下測得的超聲波速度與電解液的函數關系
電解液密度與聲速和溫度之間存在一定的關系，可以用公式表示如下：
ρ=f(T,c) (1)
如果知道溫度T和聲速c就可以求出電解液密度ρ。其中溫度T可由溫度探頭測出，而c=L/2t（其中L為超聲波傳輸的距離，t為超聲波傳播時間），本設計中L是已知的為40cm，而t可以由計數器的定時器T2得出，可以滿足公式(1)的要求，測量方案可行[2]。
3 測量方法
研究結果表明，在不同溫度下測得的超聲波速度與電解液密度之間的函數關系是比較穩定的值，從超聲波與不同密度硫酸電解液密度之間有規律的變化，可以測量出硫酸的密度在1到1.3之間變化，如圖2所示，并且可以進一步確定出電池的充放電狀態。
采用超聲波測量電池的電解液密度時，溫度是一項非常重要的數據，它會直接影響測量結果的準確性。圖2表明溫度變化時電解液密度與溫度的函數關系。當溫度上升時，電解液密度下降，超聲波的速度加快，所以超聲波測量必須考慮溫度的影響。如圖3所示，在超聲波探頭中裝有溫度探頭，以便彌補溫度對準確度的影響，經過實驗推算，溫度超出
±0.1℃，聲波傳播時間相差±10ms，大多數情況下，測得的密度的準確率可以達到0.001。通過對超聲波速度的補償可以
圖2 超聲速度與硫酸介質密度之間在不同溫度下的函數關系
消除溫度的影響。如圖3所示是用來測量超聲波傳播時間的溫度補償傳感器，換能器發射出5Hz的正弦波，到達傳感器后反射回來，超聲波從發射到返回接收器所經過的行程約為40cm，溫度探頭被固定在超聲波傳感器上，這樣可以使測量的溫度盡量接近超聲波的路線上的溫度值。用實驗的方法測出不同溫度時對應的類似于圖2所示的超聲波速度和電解液密度之間關系的非線性曲線，把測量的結果輸入計算機，測量時根據溫度找到對應曲線，再從該曲線上由超聲波速度值查出相應的電解液密度值，這樣就實現了電解液密度的測量。
圖3 帶溫度探頭的超聲波探頭 圖4 超聲波探頭在電池中的位置
超聲波探頭安裝在電池頂蓋上的開孔中，裝配工作比較簡單，如圖4所示。探頭裝在極板的旁邊，與極板互不接觸，探頭采集到參數之后發送到上位計算機進行數據處理。
4 監測電路
CAN總線在數據通信方面具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN為多主工作方式，網絡上任何一個節點均可在任意時刻主動地向網絡其它節點發送信息，而不分主從；通信距離最遠可達10km（速率小于5Kbps），通信速率最高可達1Mbps（通信距離小于40m）；采用非破壞總線仲裁時間；通過對報文的標識符濾波即可實現點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數據；采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低，保證了數據出錯率極低；通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖；出現嚴重錯誤時具有自動關閉輸出功能，使總線上其他節點不受影響；具有較高的性價比；更難能可貴的是CAN協議完全公開，可研發性強。基于以上優點決定將測量電路掛接到CAN總線上。
由于所設計的監測電路要掛接到CAN總線上，實現與上位機之間的通信，所以筆者選用Philips公司的87C591單片機作為CPU芯片[3]。87C591是8位高性能的微控制器，具有片內CAN控制器，可以很方便地掛接到CAN總線上去，它是從MCS-51微控制器家族中派生出來的，采用強大的8051指令集并成功地包括了Philips半導體SJA100CAN控制器的PeliCAN功能。振蕩器可停止和恢復而不會丟數據。改進的1：1內部時分頻器在12MHz外部時鐘速率時實現500ns指令周期。
監測電路硬件電路框圖如圖5所示，選用外接晶體G1及與之相匹配的30pF電容C1和C2可以使87C591發出10MHz的脈沖[4]，該脈沖經放大電路放大后一路作為T2的計數脈沖[5]；另一路由分頻器二分頻為5MHz，再經T1十分頻成為500kHz，又由T0 800分頻成為1600μs，將其作為發射周期脈沖（此時T2開始計時），該脈沖經VMOSFE功率放大后由電容C3耦合激勵換能器G2，G2開始振蕩產生振蕩波，振蕩波到達反射目標后返回，回波再次激勵換能器，這樣周而復始直到能量耗盡，G2經C4耦合后再經放大、整形，得到一串接收回波，用檢測電路檢測出所需的接收回波，作為T2的關閉信號。讀出T2中的計數值，通過計算可以求出電解液的密度[3]。
圖5 超聲波監測電路框圖
87C591通過高速光電耦合器6N137進行光電隔離（起到保護作用），再經CAN總線收發器TJA1050可以掛接到CAN總線上，將收集到的信息傳輸給CAN總線，并經由CAN總線傳輸到上位機，上位機對信號進行采集處理，如果在上位機上用VC等開發軟件設計出監測畫面就可以很好的實現現場信息的集中監測，從而實現船舶低壓直流供電系統蓄電池組監測的高度自動化，這在國內仍至國際上都是領先的。
5 結語
鉛酸蓄電池監測電路可適用于船舶低壓直流供電系統的工作環境，可以通過電解液密度的變化了解充放電狀況和剩余電量的多少，保護電池，提高電池的使用壽命，傳感器可以做得很小，直接放在電池內，測量的精度可達到0.01%；同時該電路還可以用來進行液位測量。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號