精確測量蓄電池內(nèi)阻的方法研究

1.引言

蓄電池作為電源系統(tǒng)停電時的備用電源，已廣泛的應用于工業(yè)生產(chǎn)、交通、通信等行業(yè)。如果電池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必須對蓄電池的運行參數(shù)進行全面的在線監(jiān)測。蓄電池狀態(tài)的重要標志之一就是它的內(nèi)阻。無論是蓄電池即將失效、容量不足或是充放電不當，都能從它的內(nèi)阻變化中體現(xiàn)出來。因此可以通過測量蓄電池內(nèi)阻，對其工作狀態(tài)進行評估。目前測量蓄電池內(nèi)阻的常見方法有：

(1)密度法

密度法主要通過測量蓄電池電解液的密度來估算蓄電池的內(nèi)阻，常用于開口式鉛酸電池的內(nèi)阻測量，不適合密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測量。該方法的適用范圍窄。

(2)開路電壓法

開路電壓法是通過測量蓄電池的端電壓來估計蓄電池內(nèi)阻，精度很差，甚至得出錯誤結(jié)論。因為即使一個容量已經(jīng)變得很小的蓄電池，再浮充狀態(tài)下其端電壓仍可能表現(xiàn)得很正常。

(3)直流放電法

直流放電法就是通過對電池進行瞬間大電流放電，測量電池上的瞬間電壓降，通過歐姆定律計算出電池內(nèi)阻。雖然這種方法在實踐中也得到了廣泛的應用，但是它也存在一些缺點。如用該方法對蓄電池內(nèi)阻進行檢測必須是在靜態(tài)或是脫機狀態(tài)下進行，無法實現(xiàn)在線測量。而且大電流放電會對蓄電池造成較大的損害，從而影響蓄電池的容量及壽命。

(4)交流注入法

交流法通過對蓄電池注入一個恒定的交流電流信號IS，測量出蓄電池兩端的電壓響應信號Vo，以及兩者的相位差θ由阻抗公式

來確定蓄電池的內(nèi)阻R。該方法不需對蓄電池進行放電，可以實現(xiàn)安全在線檢測電池內(nèi)阻，故不會對蓄電池的性能造成影響。但該方法需要測量交流電流信號Is，電壓響應信號Vo，以及電壓和電流之間的相位差θ由此可見這種方法不但干擾因素多，而且增加了系統(tǒng)的復雜性，同時也影響了測量精度。

為了解決上述各方法的缺陷，本文采用了四端子測量方式，將蓄電池兩端上的電壓響應信號通過交流差分電路與產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號經(jīng)過模擬乘法器相乘，再將模擬乘法器的輸出電壓信號通過濾波電路，使交流信號轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘枺绷餍盘柦?jīng)直流放大器放大后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的值送入單片機進行簡單處理。

2.蓄電池內(nèi)阻檢測原理

由于電池內(nèi)阻為毫歐級，因此采用常規(guī)的兩端子測量方法測量誤差較大，在此采用四端子測量方式。測量時兩個端子施加一頻率為1.0kHZ±0.1kHZ的恒定交流激勵電流信號，另兩個端子用于測量。測量工作原理圖如圖1所示，響應信號是指蓄電池注入交流恒流源后，在其兩端測出的交流電壓信號。而正弦信號是經(jīng)D/A產(chǎn)生的作為壓控恒流源的輸入信號。

圖1 測量工作原理圖

設(shè)正弦信號為：u1(ωt)=Acosωt 。蓄電池兩端的響應電壓信號為：u2(ωt)=Bcos(ωt + θ) 。θ為注入蓄電池的交流電流和其兩端響應電壓信號的相位差。

通過模擬乘法器后有：

K為模擬乘法器的放大系數(shù)。進行低通濾波后濾掉交流成分得：

由交流法測內(nèi)阻原理得：

式中I為交流恒流源信號的最大值。

比較可得：

上式中K、A、I都是已知量，而u為經(jīng)過A/D采樣送到單片機進行處理的采樣值，所以在單片機中進行一個簡單的除法運算便能得到蓄電池內(nèi)阻了。

3.交流恒流源的設(shè)計

成功檢測蓄電池狀態(tài)的前提是可以提供需要的交流恒流源。恒流源是能夠向負載提供恒定電流的電源裝置。它是一個電源內(nèi)阻非常大的電源。為了保證內(nèi)阻有較高的測量精度及較好的重現(xiàn)性，要求恒流電流源有足夠的穩(wěn)定度，并且波形失真度要小。這里所需交流信號幅度為40mV，頻率為1KHZ。

但是傳統(tǒng)的低頻交流信號發(fā)生器設(shè)計中存在很多的不足：應用通用電路，元器件多，尤其是電容的體積大，且波形的穩(wěn)定性差、失真大，調(diào)節(jié)也極不方便;應用專用電路，如ICL8038、MAX038等，其失真和穩(wěn)定性方面有明顯提高，但低頻應用時不合適，調(diào)節(jié)不方便，成本也較高。

3.1 設(shè)計原理

本文采用了數(shù)字式信號發(fā)生器產(chǎn)生標準正弦波和電流負反饋法產(chǎn)生精確交流恒流源法， 交流恒流源實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 正弦交流恒流源實現(xiàn)原理

電路組成框圖如圖2所示：這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流負反饋電路。標準正弦波產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定、對稱、失真度低的1KHz正弦波信號。驅(qū)動電路把正弦波放大，去推動功放電路，得到正弦交流電流輸出。恒流控制電路從功放輸出中得到的信號，通過與給定的信號相比較，來調(diào)節(jié)驅(qū)動電路的信號，從而使輸出電流保持穩(wěn)定。

3.2 標準正弦波的產(chǎn)生原理

標準正弦波信號的產(chǎn)生采用數(shù)字式信號發(fā)生器。首先將正弦表數(shù)據(jù)存儲在正弦信號存儲器中，晶振產(chǎn)生振蕩頻率f，經(jīng)過整型電路變?yōu)橥暾讲l率，再經(jīng)過R分頻電路得到頻率為f/R，再經(jīng)過鑒相器FD和環(huán)路濾波器LF電路鎖相分頻后，讀取存儲在正弦信號存儲器中的正弦值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換電路和經(jīng)低通有源濾器濾波電路，生成圖2 所需的標準正弦波。

4.總結(jié)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該處理方法的適用范圍廣，測量精度高，對蓄電池的損害小，可以對蓄電池進行安全的在線監(jiān)測管理。同時不需要進行交流采樣和求解cos ，就能求出蓄電池的內(nèi)阻值。這簡化了交流注入法中需要對蓄電池兩端交流電壓和相位差 進行測量的軟硬件的復雜程度。該方法可以滿足蓄電池檢測的要求，取得了較好的實用效果，完成了對鉛酸蓄電池的性能檢測和故障診斷。為蓄電池的在線檢測提供了一種實用的方法。