內(nèi)阻交流放電法在蓄電池在線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

蓄電池作為直流電源系統(tǒng)的核心組成部分，起作儲(chǔ)備電能、應(yīng)付電網(wǎng)異常和特殊工作情況、維持系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵作用，是電力系統(tǒng)正常工作的最后一道防線。當(dāng)前，蓄電池在線監(jiān)測(cè)逐漸被人們所重視，在電力、通信等行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是，蓄電池在線監(jiān)測(cè)及狀態(tài)評(píng)估所采用的關(guān)鍵技術(shù)---內(nèi)阻交流放電法并不被人們所了解，還在模糊認(rèn)識(shí)中。

從理論分析和大量實(shí)驗(yàn)證明，蓄電池工作狀態(tài)及預(yù)計(jì)使用壽命與內(nèi)阻具有密切的關(guān)系，目前國(guó)內(nèi)外使用的蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備及蓄電池狀態(tài)分析設(shè)備都是以蓄電池內(nèi)阻為主要指標(biāo)，結(jié)合蓄電池內(nèi)阻的變化速率及歷史數(shù)據(jù)，建立起專家系統(tǒng)，對(duì)蓄電池狀態(tài)進(jìn)在線評(píng)估，預(yù)計(jì)其使用壽命?，F(xiàn)代電站和變電站都采用大容量蓄電池，其內(nèi)阻極其微小，為幾十到數(shù)百微歐，甚至接頭的松緊程度都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響，并且蓄電池在線工作時(shí)有一定的充電紋波干擾，因而使傳統(tǒng)的電阻測(cè)量技術(shù)難以達(dá)到測(cè)量要求，應(yīng)采用微電阻精密測(cè)量技術(shù)進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)量才行。

1蓄電池的內(nèi)阻模型

圖1為蓄電池的簡(jiǎn)化等效電路。圖中Rc為蓄電池正負(fù)電極的極化電阻，C為正負(fù)電極的雙電層電容等效值。R為蓄電池的歐姆電阻。蓄電池連接部分主要是歐姆電阻，而電極極化部分既有歐姆電阻又有極化電阻。

1.1歐姆電阻：由極板、匯流排、極柱、電解液、隔膜等的電阻組成，它們服從歐姆定律。

1.2極化電阻：它包括濃差極化電阻和電化學(xué)極化電阻，由擴(kuò)散極化電阻、電荷傳遞電阻組成，是由電極動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移引起，它們不服從歐姆定律。

1.3濃差極化：電流通過(guò)蓄電池后，引起正負(fù)電極表面附近的電解液濃度變化，進(jìn)而產(chǎn)生濃極化電動(dòng)勢(shì)，其大小與電流大小、溫度、電極反應(yīng)速率、電遷移、擴(kuò)散速度有關(guān)。

1.4電化學(xué)極化：當(dāng)電流通過(guò)蓄電池時(shí)，由于電極過(guò)程某一步的遲緩，阻礙了電極過(guò)程的進(jìn)行，使電極電位離開平衡電極電位。其大小與電流大小、溫度、電極真實(shí)有效表面積等因素有關(guān)。

2影響蓄電池內(nèi)阻的因素

影響蓄電池內(nèi)阻的因素主要有：

2.1蓄電池使用的時(shí)間：隨著使用時(shí)間的增加，使電解液失水、極板與連接條的腐蝕、極板的硫酸化、極板變形及活性物質(zhì)的脫落等因素，造成蓄電池容量減小，蓄電池內(nèi)阻變大。

2.2蓄電池的電荷量：由于注入蓄電池的電解液深度、電極表面反應(yīng)物質(zhì)的厚度、電極表面的孔隙率等不同，而使蓄電池的內(nèi)阻相差較大，從而電荷量也相差較大。

2.3溫度：環(huán)境溫度的變化，例如上升，這時(shí)反應(yīng)物質(zhì)的擴(kuò)散加快、電荷傳遞、電極動(dòng)力學(xué)過(guò)程和物質(zhì)轉(zhuǎn)移更容易進(jìn)行，因而蓄電池內(nèi)阻減小。反之，就會(huì)增加。

2.4蓄電池的型號(hào)：不同生產(chǎn)廠、不同種類、不同型號(hào)的蓄電池，由于電極、電解液、隔膜的材料配方不同，電池的結(jié)構(gòu)不同、裝配工藝不同而使蓄電池內(nèi)阻產(chǎn)生差異。

2.5測(cè)量信號(hào)頻率：目前許多蓄電池內(nèi)阻測(cè)量，實(shí)際上測(cè)的是蓄電池的阻抗，內(nèi)中包括了容抗，而容抗大小和測(cè)量信號(hào)頻率有關(guān)，使蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果不具有客觀性。要具有客觀性，應(yīng)根據(jù)測(cè)量信號(hào)電流和電壓的相位關(guān)系，用解析的方法去除蓄電池電容對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量率結(jié)果與信號(hào)測(cè)量頻率無(wú)關(guān)，即在任何測(cè)量信號(hào)頻率下，內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果具有唯一性。

2.6測(cè)量時(shí)間和測(cè)量電流大?。涸诓捎幂^大測(cè)量電流的情況下，在施加測(cè)量信號(hào)和關(guān)閉測(cè)量信號(hào)的瞬間，由于極化的建立和穩(wěn)定是個(gè)變化過(guò)程，不同的測(cè)量電流，不同的測(cè)量時(shí)間，極化是不同的，使蓄電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果不具有客觀性。要具有客觀性，應(yīng)盡量用較小的信號(hào)電流進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量電流小于或等于0.05C10，(其中C10為10小時(shí)放電率下蓄電池的容量。)

3用內(nèi)阻交流放電法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻

內(nèi)阻交流放電法是在交流注入法蓄電池內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步的發(fā)展，該方法綜合了交流注入法和直流放電法的優(yōu)點(diǎn)。其原理是用CPU通過(guò)D/A控制智能負(fù)載，使蓄電池向智能負(fù)載放電，產(chǎn)生一個(gè)低頻(頻率小于100HZ)，幅值約為0.01C10-0.05C10 的正弦波交流信號(hào)(頻率為fo，角速度為ω=2πfo的電流I=IoSin(ωoT),其中C10為10小時(shí)放電率下蓄電池的容量。在蓄電池上產(chǎn)生的電壓響應(yīng)為：

U=UoSin(ωoT+Φ); 其阻抗為：Z=Uo/IoXejφ

交流放電法蓄電池內(nèi)阻測(cè)量原理圖見圖2。

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3.1 MOS管：MOS管的作用是由CPU通過(guò)D/A控制MOS管，使蓄電池向負(fù)載放電，產(chǎn)生特定頻率的、幅值穩(wěn)定的正弦波激勵(lì)信號(hào)。

3.2多路開關(guān)：多路開關(guān)由CPU控制，進(jìn)行信號(hào)的切換。以實(shí)現(xiàn)蓄電池組中每節(jié)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。

3.3耦合電容：其作用是隔離直流，而使交流信號(hào)順利通過(guò)。為保證測(cè)量電路的精度，耦合電容要保證嚴(yán)格的匹配性。

3.4可編程帶通濾波器：蓄電池在線工作時(shí)，充電裝置紋波電流可能相當(dāng)大，一些UPS電源的紋波電流有數(shù)安甚至數(shù)十安，遠(yuǎn)大于測(cè)量信號(hào)，如果不采取濾波，后級(jí)的放大器將會(huì)飽和?？删幊處V波器的設(shè)計(jì)可以使頻率接近為測(cè)量信號(hào)頻率，而其它頻率信號(hào)不能通過(guò)。這樣后級(jí)的放大器可以將微弱的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行有效的放大。

3.5高速同步A/D轉(zhuǎn)換器：它可以實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)和電壓信號(hào)的同步高速采樣，確保電流信號(hào)和電壓信號(hào)嚴(yán)格的相位關(guān)系，并將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

3.6 DSP：雖然經(jīng)過(guò)前級(jí)的濾波去除了大部分干擾信號(hào)，但仍有相當(dāng)?shù)母蓴_信號(hào)和有效信號(hào)一起被采樣進(jìn)來(lái)，如不進(jìn)行處理，將會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量精度。由于只有頻率為fo的信號(hào)為有效信號(hào)，利用DSP的數(shù)字運(yùn)算能力，對(duì)采樣信號(hào)用FFT算法分別提取電流、電壓采樣信號(hào)中頻率為fo的信號(hào)部分進(jìn)行運(yùn)算。電流、電壓采樣信號(hào)送入DSP后，DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行如下處理：

3.6.1對(duì)電流和電壓采樣信號(hào)進(jìn)行FFT變換，分別計(jì)算出電流信號(hào)和電壓信號(hào)的頻譜分布:

3.6.2分別提取頻率為fo的電流和電壓信號(hào)：

電流信號(hào)：I=IoSin(ωoT+φ1)

電壓信號(hào)：U=UoSin(ωoT+φ2)

3.6.3計(jì)算蓄電池的阻抗、內(nèi)阻和相位差：

阻抗為： Z(ω)=Uo/Io×ejφ

相位差為：φ=φ2-φ1.

蓄電池內(nèi)阻為：R= |Z(ω)|×COSφ

3.6.4將結(jié)果送入CPU，并進(jìn)行顯示、存貯，以便進(jìn)行其他分析。

3.7 CPU：采用飛利浦公司ARM蕊片LPC2478，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行控制，以及和其它設(shè)備進(jìn)行通訊。

4內(nèi)阻交流放電法測(cè)量?jī)?nèi)阻的特點(diǎn)

4.1安全可靠：蓄電池工作主回路不接入任何器件，測(cè)量回路設(shè)計(jì)有10仟?dú)W的限流電阻和保險(xiǎn)管，測(cè)量回路為高阻設(shè)計(jì)，蓄電池工作回路和測(cè)量回路安全獨(dú)立，互不影響，可以在蓄電池在線工作時(shí)更換蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備。

4.2放電電流小，對(duì)蓄電池?zé)o損害：因放電電流為0.01--0.05C10，不對(duì)蓄電池產(chǎn)生沖擊，不會(huì)造成柵極板變形及活性物質(zhì)脫落，對(duì)蓄電池壽命無(wú)影響。

4.3抗干擾性強(qiáng)，適應(yīng)于對(duì)工作中的蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)：采用可編程帶通濾波器進(jìn)行濾波。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，有效地消除了直流充電裝置紋波對(duì)測(cè)量的影響，具有很好的抗干擾性能，適應(yīng)于對(duì)工作中的蓄電池進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

4.4測(cè)試精度高，狀態(tài)評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)準(zhǔn)確：帶通濾波器+多級(jí)高精度運(yùn)算放大器+數(shù)字信號(hào)處理，使蓄電池內(nèi)阻測(cè)試精度高于傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，能準(zhǔn)確反映蓄電池老化狀況及壽命預(yù)測(cè)的要求。蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量精度要在2%以內(nèi)，重復(fù)精度在1%以內(nèi)，目前傳統(tǒng)的直流放電法和交流注入法是無(wú)法達(dá)到的。

4.5測(cè)試的結(jié)果是蓄電池的真實(shí)內(nèi)阻，和測(cè)量時(shí)間、信號(hào)頻率、測(cè)試電流大小無(wú)關(guān)，具有客觀性，也便于數(shù)據(jù)的橫向比較。

5結(jié)束語(yǔ)

利用現(xiàn)代微電腦蕊片處理器CPU來(lái)控制管理蓄電池在線內(nèi)阻測(cè)量技術(shù)，能極大提高蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量精度和真實(shí)性，并且具有安全可靠、放電電流小、抗干擾能力強(qiáng)、便于和其它微機(jī)設(shè)備進(jìn)行信息交流和通訊等優(yōu)點(diǎn)，是一種不錯(cuò)的、值得提倡推廣的，新的測(cè)試技術(shù)和方法?？晒╇娬尽⒆冸娬竞陀嘘P(guān)供電部門參考與研討。