高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進(jìn)

摘要：首先指出了傳統(tǒng)的幾種蓄電池剩余容量檢測方法的缺點(diǎn)：局限性大，計算困難，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大等。接著對內(nèi)阻法測量蓄電池剩余容量的方法進(jìn)行了分析，并給出了具體的實(shí)施方案，討論了該方案的優(yōu)缺點(diǎn)。最后提出了在高噪聲情況下對蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進(jìn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種改進(jìn)方法的有效性。

關(guān)鍵詞：蓄電池；剩余容量；在線檢測；高噪聲

0    引言

    蓄電池剩余容量是用戶最為關(guān)心的一個問題，它與整個供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)。蓄電池剩余容量越高，則系統(tǒng)可靠性越高。因此，如何在既不消耗蓄電池能量，又不影響用電設(shè)備正常工作情況下，實(shí)時地在線檢測蓄電池剩余容量，有著重要意義。

    蓄電池是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不同負(fù)載條件或不同環(huán)境溫度下運(yùn)行時，實(shí)際可供釋放的剩余容量不同；而且隨著蓄電池使用時間增加，其容量也將下降。通常是根據(jù)蓄電池的電解液密度來估算剩余容量的，該方法有很大局限性：在蓄電池使用后期，隨著正負(fù)極板的腐蝕、斷筋，難以準(zhǔn)確推算出剩余容量；同時，這種方法也難以適應(yīng)目前廣泛應(yīng)用的VRLA蓄電池的在線檢測。近些年常用的幾種蓄電池剩余容量檢測方法之中，對在線使用的蓄電池來說，內(nèi)阻法對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最小，并可以在蓄電池整個使用期內(nèi)準(zhǔn)確測量，因此，內(nèi)阻法被視為一種比較理想的方法。但在高噪聲情況下卻發(fā)現(xiàn)，實(shí)際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，因此，對高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進(jìn)勢在必行。

1    內(nèi)阻法預(yù)測剩余容量的實(shí)施方案

    大量研究結(jié)果表明，蓄電池內(nèi)阻與荷電程度之間有較好的相關(guān)性。美國GNB公司曾對容量200～1000A·h，電池組電壓18～360V的近500個VRLA蓄電池進(jìn)行過測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蓄電池內(nèi)阻與容量的相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到88％。隨著蓄電池充電過程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步減??；隨著放電過程的進(jìn)行，內(nèi)阻逐步增大。另外，隨著蓄電池老化，其剩余容量隨之下降，內(nèi)阻也逐漸增大。蓄電池內(nèi)阻與剩余容量的典型關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1    蓄電池內(nèi)阻與剩余容量的關(guān)系曲線

    蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內(nèi)阻相差2～4倍，變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池端電壓變化率（約為30％～40％），因此，通過測量蓄電池內(nèi)阻可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測其剩余容量。另外，對于在線使用的蓄電池來說，內(nèi)阻法還有一個突出優(yōu)點(diǎn)是對系統(tǒng)影響最小，可以在蓄電池整個使用期內(nèi)準(zhǔn)確測量。因此，不難看出內(nèi)阻法最適合于VRLA蓄電池剩余容量的在線測量。

    內(nèi)阻法預(yù)測剩余容量的具體實(shí)施方案是：首先，將蓄電池充滿電（以2V蓄電池為例，充電至2.23V，浮充電流至10mA），然后，以0.1C的放電率使蓄電池放電，記錄下放電過程中內(nèi)阻與剩余容量的大小。當(dāng)蓄電池放電完畢（2V蓄電池放電至1.80V）便可獲得完整的放電曲線，即剩余容量與蓄電池內(nèi)阻之間的對應(yīng)關(guān)系。將此曲線存入蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的FLASHROM中，在以后測試同型號、同規(guī)格的蓄電池時，處理器根據(jù)在線測試得到的內(nèi)阻值，通過查表計算，得出其剩余容量。因此，這一方法的關(guān)鍵在于如何在線測得蓄電池內(nèi)阻。

    蓄電池內(nèi)阻測量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定交流音頻電流源I_s，然后，檢測其端電壓V_o以及I_s和V_o兩者之間的夾角θ。顯然，蓄電池的交流阻抗為Z=V_o/I_s，而R=Z×cosθ即為我們所要獲取的蓄電池內(nèi)阻值。其具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2    內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量的實(shí)現(xiàn)

    圖中300Hz信號發(fā)生電路由14位二進(jìn)制串行計數(shù)/分頻器CD4060以及帶通濾波電路組成，具體電路如圖3所示。

圖3    300Hz信號發(fā)生電路

2    高噪聲情況下在線測量方法的改進(jìn)    

    采用上述方法測量蓄電池剩余容量具有較高精度，離線測量時誤差優(yōu)于7％。然而在實(shí)時的在線測量中，卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，有時誤差甚至超過10％。是什么原因引起這種誤差呢？為此，我們對蓄電池的幾種工作狀態(tài)，即供電正常情況下的浮充狀態(tài)，市電故障情況下的放電狀態(tài)以及逆變器故障時的狀態(tài)分別進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)在逆變器故障情況下，可以達(dá)到與離線測試時近似的精度。至此，可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的，為此，我們嘗試采用低通濾波器（截止頻率為1kHz）的方法來提高測試精度，效果并不理想，可見逆變器的反饋噪聲主要集中于低于1kHz范圍，因此，在硬件上難以實(shí)現(xiàn)。

    考慮到事先已經(jīng)測試得到n個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值，因此，可以在軟件上采用最小二乘擬合的辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。所謂最小二乘問題，就是要找出一個待定函數(shù)f(x)，使得f(x)與標(biāo)準(zhǔn)值y之差的平方和最小，即

    s=[y_i－f(x_i)]²    （1）

    f(x)的求解過程如下：首先，假定f(x)為一個n次多項(xiàng)式，即

    f(x)=a₀＋a₁x＋…＋a_nxⁿ=a_ixⁱ    （2）

    然后取出已經(jīng)測試得到的n個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值，設(shè)為y₁，y₂，…，y_n；從而式（1）可以化簡為

    s=[a₀＋a₁x_i＋…＋a_nxⁿ_i－y_i]²    （3）

    根據(jù)微積分中的極值原理，欲使式（3）最小，必須使其對每一個系數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)為0，即：

        （4）

    該式中有n＋1個方程式，因此，可以求解出n＋1個未知數(shù)。將式（3）代入式（4）并化簡可得

        （5）

    最后將測試過程中實(shí)測得到的n個阻值x₁，…，x_n與n個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值y₁，y₂，…，y_n代入式（5），就可以確定出a₀，a₁，…，a_n共n＋1個系數(shù)，從而可以得到f(x)。

3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    以蓄電池參數(shù)和交、直流電壓為例給出系統(tǒng)測試結(jié)果。測試用標(biāo)準(zhǔn)表為ESCORT3155A；測試用蓄電池為南都公司GFM200，并將其在額定負(fù)載情況下以0.1C放電率恒流放電所得到的容量作為標(biāo)準(zhǔn)容量；測試環(huán)境溫度均為18℃。蓄電池剩余容量測試結(jié)果如表1所列。

表1    蓄電池剩余容量測試結(jié)果

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過最小二乘法擬和以后，測量結(jié)果基本接近離線測量結(jié)果。其精度完全可以滿足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定。

4    結(jié)語

    蓄電池剩余容量的在線檢測對整個供電系統(tǒng)的可靠性都有著深遠(yuǎn)的影響。它也一直是國內(nèi)外研究的一個熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本文給出了內(nèi)阻法測量蓄電池剩余容量的具體的實(shí)施方案，提出了一種在高噪聲情況下對蓄電池剩余容量在線檢測的改進(jìn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種改進(jìn)方法能夠在高噪聲下得到令人滿意的測量精度。