劉險(xiǎn)峰，王裕林，楊海峰，李曉梅

（中國人民解放軍65043部隊(duì)，吉林 長春130022）

0 引 言

在UPS電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)供電中斷時(shí)，備用蓄電池組是通信系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運(yùn)行的最后保障。如何科學(xué)有效地對蓄電池進(jìn)行維護(hù)管理是保障蓄電池性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過采用在線式阻抗監(jiān)測技術(shù)，及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的隱患，并及時(shí)更換蓄電池，能有力保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行［1，2］。內(nèi)阻作為一個(gè)真實(shí)存在的物理量，與蓄電池性能有更為緊密的相關(guān)性，大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：在電池壽命期間內(nèi)，其實(shí)際容量的單調(diào)下降，總是伴隨著內(nèi)阻的單調(diào)上升，在同一條件下測量比較內(nèi)阻的變化可以對電池性能提供預(yù)警信息，這一結(jié)論也得到了資深專家的認(rèn)可［3］。因而，現(xiàn)代通信電源監(jiān)控系統(tǒng)對蓄電池內(nèi)阻檢測提出了更高的要求，需要實(shí)時(shí)在線檢測，這為我們提出了新課題。

1 交流法測量蓄電池內(nèi)阻的基本原理

圖1所示為交流法在線測量蓄電池內(nèi)阻的原理［4，5］，圖中 Rs為電流采樣電阻，C為隔直流電容。對電池組注入一個(gè)低頻交流電流信號(hào)，測出單體電池兩端的低頻交流電壓Uo（i）和流過的電流Is以及兩者的相位差，如圖2所示。根據(jù)

計(jì)算出電池的內(nèi)阻。

圖1 交流法內(nèi)阻測量原理

圖2 Is和Uo之間的相位關(guān)系

交流法由于無需放電，蓄電池不用處于靜態(tài)或脫機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)完全的在線監(jiān)測管理，避免了對設(shè)備運(yùn)行安全性的影響。同時(shí)由于施加的低頻信號(hào)頻率很低，施加的交流電流也很小，故不會(huì)對直流系統(tǒng)的性能造成不利影響［6］。只要求出Uo（i）、Is及兩者的相位差φ，由式（2）便可得出電池的內(nèi)阻。Uo（i）、Is為周期固定的正弦波信號(hào)，可在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣，根據(jù)式（3）即可求出其有效值。因此測量電池內(nèi)阻的關(guān)鍵便是相位差φ的測量［7，8］。

通常測量相位差的電路如圖3所示，Us、Uo（i）正弦波信號(hào)先經(jīng)過電壓比較器LM311過零比較變?yōu)榉讲ㄐ盘?hào)，然后提取出其相移φ，各點(diǎn)的波形如圖4所示，用單片機(jī)的輸入捕捉功能測出波形③的高電平時(shí)間即可得到相移φ。

由于每節(jié)單體電池都需圖3所示的一套電路，因此該檢測方法硬件復(fù)雜、成本高、抗干擾能力較差。

圖3 Us和Uo（i）相位移檢測電路

圖4 檢測電路各點(diǎn)的信號(hào)波形

2 直接采樣相移法測量蓄電池內(nèi)阻的基本原理

為了克服上述檢測方法的缺點(diǎn)，本文提出了直接利用采樣點(diǎn)計(jì)算相移的新方法。

根據(jù)交流采樣算法，計(jì)算Us、Uo（i）有效值時(shí)需要對信號(hào)進(jìn)行同步采樣。在t0、t1，…，tn時(shí)刻分別對周期為T的信號(hào)x（t）進(jìn)行采樣，如果滿足下列兩個(gè)條件：

則稱為同步采樣，式中Ts為采樣間隔；采樣頻率fs＝1/Ts。第一個(gè)條件要求采樣頻率必須為信號(hào)頻率的整數(shù)倍，第二個(gè)條件要求采樣必須是等間隔采樣。由于Us、Uo（i）為周期固定的正弦波信號(hào)，取Ts＝T/n為采樣間隔，利用定時(shí)器定時(shí)，每隔Ts時(shí)間觸發(fā)中斷進(jìn)行采樣即可。

對信號(hào)Us和Uo（i）進(jìn)行同步采樣，采樣間隔為Ts，Ts＝T/n，其中T 為信號(hào)周期，n為采樣點(diǎn)數(shù)，硬件框圖如圖5所示。

圖5 采樣電路框圖

設(shè)信號(hào)Us的采樣起始時(shí)刻為t0，則其采樣時(shí)刻依次為t0、t0＋Ts、…、t0＋ （n－1）Ts，當(dāng)采樣完Us的第（n－1）個(gè)點(diǎn)后，將模擬開關(guān)切換到下一通道，即單體電池電壓Uo（1），對Uo（1）繼續(xù)進(jìn)行同步采樣，此時(shí)采樣起始時(shí)刻為t0＋（n－1）Ts＋Ts，即t0＋T，其采樣時(shí)刻依次為t0＋T、t0＋T＋Ts、…、t0＋T＋（n－1）Ts，當(dāng)采樣完Uo（1）的第（n－1）個(gè)點(diǎn)后，將模擬開關(guān)切換到下一通道繼續(xù)采樣，一直到所有通道都采樣完畢為止。由于Us和Uo（1）是周期相同的正弦波信號(hào)，由正弦波信號(hào)的周期性可知，這種采樣方法保證了各路信號(hào)起始采樣時(shí)刻的同步。

如果有Us（k1）·Us（k1＋1）＜0，則說明在Us（k1）和Us（k1＋1）之間存在一個(gè)過零點(diǎn)，設(shè)Δk1為過零點(diǎn)與采樣點(diǎn)Us（k1）的距離，利用線性插值有：

同理，如果有Uo（i）（k2）·Uo（i）（k2＋1）＜0，則說明在Uo（i）（k2）和Uo（i）（k2＋1）之間存在一個(gè)過零點(diǎn)，設(shè)Δk2為過零點(diǎn)與采樣點(diǎn)Uo（i）（k2）的距離，則有

則所求相移為

3 四端法的基本原理

由于蓄電池內(nèi)阻一般為mΩ級（例如通信用200 Ah閥控鉛酸蓄電池的內(nèi)阻只有1 mΩ左右），因此夾具的接觸電阻以及引線本身的電阻會(huì)對測量引入誤差，四端法測量很好地解決了這個(gè)問題。

如圖6所示，C1、C3為測量響應(yīng)的電路與電池之間的隔直電容，C2為交流源與電池之間的耦合電容，R1、R2、R3、R4為測試導(dǎo)線的電阻。在交流源作用下，其中一對測試線中流過電流，并使電池兩端產(chǎn)生響應(yīng)，而測量響應(yīng)的電路由于輸入阻抗極大，這一對測試線中不流過電流，因而保證了測試電路測到的是電池兩端的響應(yīng)。

圖6 四端法測量示意圖

4 結(jié) 論

由于蓄電池內(nèi)阻很小，且容量越大，其內(nèi)阻值越小，給測量工作帶來很多不便，因而蓄電池內(nèi)阻測量是所有蓄電池檢測指標(biāo)中最難以實(shí)現(xiàn)的。本文提出的直接采樣相移法測量蓄電池內(nèi)阻的方法，克服了交流測試法的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本造價(jià)低、測試誤差小等優(yōu)點(diǎn)，滿足蓄電池內(nèi)阻在線檢測的要求，為通信電源集中監(jiān)控提供了技術(shù)支撐。

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