精確測(cè)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(shí)的備用電源，已廣泛的應(yīng)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(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面的在線監(jiān)測(cè)。蓄電池狀態(tài)的重要標(biāo)志之一就是它的內(nèi)阻。無(wú)論是蓄電池即將失效、容量不足或是充放電不當(dāng)，都能從它的內(nèi)阻變化中體現(xiàn)出來(lái)。因此可以通過(guò)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。目前測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的常見(jiàn)方法有：

（1）密度法

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

（2）開(kāi)路電壓法

開(kāi)路電壓法是通過(guò)測(cè)量蓄電池的端電壓來(lái)估計(jì)蓄電池內(nèi)阻，精度很差，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。因?yàn)榧词挂粋€(gè)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(guò)對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電，測(cè)量電池上的瞬間電壓降，通過(guò)歐姆定律計(jì)算出電池內(nèi)阻。雖然這種方法在實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用，但是它也存在一些缺點(diǎn)。如用該方法對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)必須是在靜態(tài)或是脫機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。而且大電流放電會(huì)對(duì)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(guò)對(duì)蓄電池注入一個(gè)恒定的交流電流信號(hào)IS，測(cè)量出蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)Vo，以及兩者的相位差θ由阻抗公式

來(lái)確定蓄電池的內(nèi)阻R。該方法不需對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現(xiàn)安全在線檢測(cè)電池內(nèi)阻，故不會(huì)對(duì)蓄電池的性能造成影響。但該方法需要測(cè)量交流電流信號(hào)Is，電壓響應(yīng)信號(hào)Vo，以及電壓和電流之間的相位差θ由此可見(jiàn)這種方法不但干擾因素多，而且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也影響了測(cè)量精度。

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

2.蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)原理

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

圖1 測(cè)量工作原理圖

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

通過(guò)模擬乘法器后有：

K為模擬乘法器的放大系數(shù)。進(jìn)行低通濾波后濾掉交流成分得：

由交流法測(cè)內(nèi)阻原理得：

式中I為交流恒流源信號(hào)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(guò)A/D采樣送到單片機(jī)進(jìn)行處理的采樣值，所以在單片機(jī)中進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的除法運(yùn)算便能得到蓄電池內(nèi)阻了。

3.交流恒流源的設(shè)計(jì)

成功檢測(cè)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(fù)載提供恒定電流的電源裝置。它是一個(gè)電源內(nèi)阻非常大的電源。為了保證內(nèi)阻有較高的測(cè)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(hào)幅度為40mV，頻率為1KHZ。

但是傳統(tǒng)的低頻交流信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)中存在很多的不足：應(yīng)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(yīng)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(yīng)用時(shí)不合適，調(diào)節(jié)不方便，成本也較高。

3.1 設(shè)計(jì)原理

本文采用了數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波和電流負(fù)反饋法產(chǎn)生精確交流恒流源法， 交流恒流源實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 正弦交流恒流源實(shí)現(xiàn)原理

電路組成框圖如圖2所示：這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流負(fù)反饋電路。標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定、對(duì)稱、失真度低的1KHz正弦波信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路把正弦波放大，去推動(dòng)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(hào)，通過(guò)與給定的信號(hào)相比較，來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，從而使輸出電流保持穩(wěn)定。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)正弦波的產(chǎn)生原理

標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)的產(chǎn)生采用數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器。首先將正弦表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在正弦信號(hào)存儲(chǔ)器中，晶振產(chǎn)生振蕩頻率f，經(jīng)過(guò)整型電路變?yōu)橥暾讲l率，再經(jīng)過(guò)R分頻電路得到頻率為f/R，再經(jīng)過(guò)鑒相器FD和環(huán)路濾波器LF電路鎖相分頻后，讀取存儲(chǔ)在正弦信號(hào)存儲(chǔ)器中的正弦值，經(jīng)過(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量精度高，對(duì)蓄電池的損害小，可以對(duì)蓄電池進(jìn)行安全的在線監(jiān)測(cè)管理。同時(shí)不需要進(jìn)行交流采樣和求解cos ，就能求出蓄電池的內(nèi)阻值。這簡(jiǎn)化了交流注入法中需要對(duì)蓄電池兩端交流電壓和相位差 進(jìn)行測(cè)量的軟硬件的復(fù)雜程度。該方法可以滿足蓄電池檢測(cè)的要求，取得了較好的實(shí)用效果，完成了對(duì)鉛酸蓄電池的性能檢測(cè)和故障診斷。為蓄電池的在線檢測(cè)提供了一種實(shí)用的方法。