摘 要：研究表明，蓄電池的內(nèi)阻已經(jīng)是評價蓄電池性能的重要指標之一，但內(nèi)阻的構(gòu)成是比較復雜的。本文利用四線測試法對其純阻性部分電阻進行測量，進而評判蓄電池的好壞，此方法在一定程度上對蓄電池行業(yè)的發(fā)展具有推動作用。

關(guān)鍵詞：蓄電池；內(nèi)阻；四線法

中圖分類號：TM912；TM934.1

蓄電池應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是實現(xiàn)化學能與電能之間轉(zhuǎn)化的一種復雜裝置。由于是密封的，不同型號和規(guī)格的性能不同，檢測方法也多樣化。密封的蓄電池就好比是一個“黑箱”，檢測時不一定知道其內(nèi)部的詳細構(gòu)造。常用的檢測方法有：密度法、開路電壓法、放電法、內(nèi)阻法。研究表明，蓄電池的內(nèi)阻測量法是檢測蓄電池性能可靠的方法之一。密封蓄電池的內(nèi)阻包含了歐姆內(nèi)阻、濃差極化內(nèi)阻、電化學反應(yīng)內(nèi)阻以及雙層電容充電時的干擾作用。由于在測試過程中引線電阻和接觸電阻的影響，會造成測量誤差很大。與交流注入法測內(nèi)阻不同，本文就基于常用的四線法給蓄電池注入直流電流來檢測蓄電池的純阻性內(nèi)阻，可減小誤差 [1]。

1 蓄電池內(nèi)阻等效模型

蓄電池內(nèi)阻包含歐姆電阻和極化內(nèi)阻。歐姆電阻：電極材料、電解液、隔膜的電阻；極化內(nèi)阻：正負極化學反應(yīng)時的電阻。我們可以將蓄電池的內(nèi)阻等效為如下電路結(jié)構(gòu)[2]，既包含純阻性電阻，又包含容性阻抗和感性阻抗。如圖1所示。

圖1 蓄電池內(nèi)阻等效模型

其中L1、L2為電池兩端的電感阻抗，Ra、Rc是由電極離子遷移產(chǎn)生的電阻，Ca、Cb是電極電容，Rb、Rd是電極離子在電解液擴散速度決定，Rf為歐姆電阻。由于直流電流在流過電感時相當于“短路”，流過電容時相當于“斷路”，我們可以將直流條件下的蓄電池阻抗等效為Rx，Rx為純阻性電阻。因此，利用蓄電池內(nèi)阻等效電路通過直流電流時的特性可以檢測出其純阻性部分電阻的大小進而判斷蓄電池的好壞，這與交流注入法測試明顯不同。

2 電路分析與原理框圖

溫度對蓄電池的內(nèi)阻影響很大，低溫狀態(tài)如0℃以下，溫度每下降10℃，內(nèi)阻約增大15%；溫度較高時，10℃以上時硫酸離子的擴散速率提高了濃度極化作用將明顯減小，極化電阻下降，但導體電阻隨溫度增加而上升。所以在進行純電阻測試時，我們要保持蓄電池所處的溫度恒定，減小溫度對內(nèi)阻的影響。將蓄電池抽象化，即直流條件下將蓄電池內(nèi)阻進行等效變換。由此，得出本設(shè)計的基本原理是在等效電阻Rx上通過一恒定已知的10mA電流源，利用電容“斷路”和電感“短路”來測出純阻性電阻的壓降，經(jīng)過儀表放大器INA102對采集到的微弱電壓信號進行放大后轉(zhuǎn)換為直流電壓，利用帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器的ICL7106的3位半數(shù)字電壓表頭對測得的阻值顯示讀數(shù)，原理框圖如下。

圖2 四線法測試原理框圖

如上圖所示1和2接10mA恒流源輸出端，3和4接儀表放大器的輸入端，測量時用四根導線與被測蓄電池等效純阻性電阻Rx連接。Rx兩端的電壓經(jīng)儀表放大器放大后送入數(shù)字電壓表進行顯示。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計

3.1 恒流源設(shè)計[3]

圖3 恒流源電路設(shè)計

本電路中采用三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317與電阻構(gòu)成高精度恒流源。LM317的基準電壓為1.25V。電壓U0的表達式為：U0=1.25×（1+Rx/125）+50×0.0000006×Rx，由于蓄電池純阻性阻抗Rx非常小，第二項取值很小可忽略不計。由歐姆定律：I=U/R，U=U0=1.25，滑動變阻器R=R5=125Ω，可得恒利源電流為10mA。對于恒流源可以采用9v供電，輸出恒定電流為10mA。

3.2 儀表放大器

在測量系統(tǒng)中，通常被測物理量均通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，然后進行放大。蓄電池純阻性內(nèi)阻比較小，為了提高精度和線性度，在此電路中必須采用精度較高的放大器，誤差越小越好，為此選用了型號為INA102的集成儀表放大器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖。

圖4 型號為INA102的集成儀表放大器

INA102的輸入電阻可達10000MΩ，共模抑制比為100dB，輸出電阻為0.1Ω，小信號帶寬為300KHz；當電源電壓±15V時，最大共模輸入電壓為±12.5V，具有1，10，100，1000四種增益情況。電路連接時集成運放的輸入端接Rx兩端，對微弱電壓信號進行放大。

4 測試結(jié)果判斷

在對0.8AH、12V的鉛酸蓄電池進行純阻性內(nèi)阻測試時，選用儀表放大器的增益為100的檔位，經(jīng)過數(shù)字萬用表的轉(zhuǎn)換處理后可得到以下測試結(jié)果。排除溫度對蓄電池內(nèi)阻的影響，在誤差范圍內(nèi)，由于容抗和感抗的存在，此測試結(jié)果要小于蓄電池內(nèi)阻標準值。

測量電阻值小于實際阻值，這也是意料之中的，蓄電池純電阻部分占標準內(nèi)阻值的比重大，說明穩(wěn)定性好，受溫度電解液等其它因素影響小。若比重太大，則性能不夠穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

本文通過巧妙設(shè)計10mA直流電流源，利用電感和電容在直流電流條件下“短路”和“斷路”的特性設(shè)計了蓄電池純阻性內(nèi)阻的測試方法。這對于蓄電池性能的檢測提供了新思維，必將為蓄電池行業(yè)的發(fā)展做出貢獻。

參考文獻：

[1]朱松然.鉛蓄電池技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]李立偉.蓄電池內(nèi)阻測量裝置的研究[J].電源技術(shù)，2003.

[3]華成英.模擬電子技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4]江思明.電路工程設(shè)計——Protel 99實例演練[M].北京：人民郵電出版社，2009.

作者簡介：季國棟（1988-），男，河北大學電子信息工程學院研究生在讀，電路與系統(tǒng)專業(yè)，研究方向：蓄電池性能的檢測；王文理（1955-），男，河北大學教授，研究生導師，研究方向：電力電子，開關(guān)電源設(shè)計。