李 艷,李 燚，倪敏娜

(東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

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鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測儀設(shè)計

李 艷,李 燚，倪敏娜

(東華大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201620)

鉛酸蓄電池的SOH(State of Health)反映蓄電池的劣化程度，與蓄電池內(nèi)阻是對應(yīng)變化的關(guān)系。文中設(shè)計一種鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測儀，基于交流阻抗法實現(xiàn)鉛酸蓄電池內(nèi)阻快速檢測。交流恒流源產(chǎn)生正弦交流信號并注入到蓄電池；引入精密采樣電阻，與蓄電池組成串聯(lián)回路，將蓄電池及精密電阻兩端產(chǎn)生的微弱響應(yīng)信號經(jīng)處理后送入單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)響應(yīng)電壓比值計算出蓄電池的內(nèi)阻，并實時顯示。為了驗證此檢測儀的性能，進(jìn)行了實驗驗證，實驗結(jié)果表明該儀器可有效檢測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻，反映蓄電池的SOH,區(qū)分新舊電池，檢測結(jié)果穩(wěn)定精確，具有一定的實際應(yīng)用價值。

鉛酸蓄電池;交流阻抗法;內(nèi)阻檢測;SOH;交流恒流源

0 引言

鉛酸蓄電池作為供電系統(tǒng)的后備電源，在通信、銀行、交通、金融等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其穩(wěn)定性直接影響這些領(lǐng)域關(guān)鍵系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。內(nèi)阻是衡量鉛酸蓄電池健康狀態(tài)的一個重要參數(shù)，實驗表明老化蓄電池的內(nèi)阻要明顯大于新電池的內(nèi)阻，因此內(nèi)阻的檢測可顯著區(qū)分新舊電池，判別蓄電池的健康狀態(tài)SOH(State of Health)[1-2]。由于蓄電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)及外部干擾等情況，蓄電池內(nèi)阻的檢測易受噪聲影響，同時蓄電池內(nèi)阻檢測技術(shù)不夠成熟，因此對蓄電池內(nèi)阻檢測有研究意義。目前交流阻抗法是檢測鉛酸蓄電池內(nèi)阻熱門方法之一。交流阻抗法是對蓄電池注入恒定的小幅低頻交流電流信號，檢測蓄電池兩端的響應(yīng)電壓信號及二者的相位差，再計算出蓄電池的內(nèi)阻[3]。交流阻抗法可在線檢測，無需對蓄電池進(jìn)行放電，不會對蓄電池的性能造成影響。

文獻(xiàn)[4]中提出的交流阻抗法，對蓄電池進(jìn)行內(nèi)阻檢測，通過測量電池電動勢、交流響應(yīng)電流及使用相位測量器測量的相位差來計算電池內(nèi)阻。傳統(tǒng)交流阻抗法要對響應(yīng)信號的相位進(jìn)行檢測，同時要考慮檢測導(dǎo)線的電阻，檢測誤差較大。文獻(xiàn)[5]中采用直流放電與交流阻抗相結(jié)合的檢測方法，通過直流放電獲得內(nèi)阻數(shù)據(jù)與交流法獲得的極化內(nèi)阻的差值來表示蓄電池的內(nèi)阻。此種直流交流相結(jié)合的內(nèi)阻檢測方法仍然需要對蓄電池進(jìn)行放電操作，會對蓄電池的使用壽命造成影響。

本文所述的內(nèi)阻檢測儀是在交流阻抗法的基礎(chǔ)上引入精密采樣電阻，使其與蓄電池組成串聯(lián)回路，采用交流注入法對蓄電池注入1 kHz微弱正弦信號。對蓄電池及精密電阻兩端產(chǎn)生的輸出響應(yīng)信號進(jìn)行隔直、濾波放大、整流等一系列處理，再經(jīng)A/D采樣后進(jìn)入單片機控制器，測得蓄電池及精密電阻兩端的響應(yīng)信號的電壓值，計算出蓄電池內(nèi)阻，并通過實驗驗證該儀器檢測的有效性，同時免除了一般交流阻抗法對于正弦信號相位差的檢測，提高了檢測精度。

1 內(nèi)阻檢測原理

交流阻抗法原理是給電池注入幅值很小的交流電流信號，測出蓄電池兩端的響應(yīng)電壓U，流經(jīng)的電流I及二者的相位差θ，根據(jù)Z=U/I與Z=Rcosθ計算出電池內(nèi)阻r。不過由于蓄電池的內(nèi)阻很小，通常只有幾到幾十mΩ，測量導(dǎo)線的電阻就不能忽略，而傳統(tǒng)的交流阻抗法未考慮測量導(dǎo)線的電阻，造成檢測結(jié)果誤差較大。

本文所述的內(nèi)阻檢測儀的檢測原理基于四端子法，將驅(qū)動電流回路和感應(yīng)電壓回路分開，可減小測量導(dǎo)線的誤差[6]。檢測儀的具體原理如圖1所示。其中：r為蓄電池等效內(nèi)阻；E為鉛酸蓄電池兩端電動勢；R為精密采樣電阻；C1與R1組成隔直電路。交流恒流源產(chǎn)生的正弦激勵信號注入到蓄電池，在蓄電池及精密電阻兩端產(chǎn)生響應(yīng)電壓信號Ur(t)。由于響應(yīng)信號微弱，易被外界噪聲干擾，需要設(shè)計信號處理電路，對響應(yīng)信號進(jìn)行隔直、濾波放大、整流等來抑制噪音、增強信號，并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；再根據(jù)蓄電及精密電阻兩端的響應(yīng)電壓的比值來計算出蓄電池的內(nèi)阻。

圖1 內(nèi)阻檢測原理圖

測量中給蓄電池兩端施加1 kHz的恒定正弦激勵信號

I(t)=I·sin(ωt+θ)

(1)

則蓄電池兩端及精密電阻兩端的響應(yīng)電壓信號分別為

Ur(t)=Ur·sin(ωt+θr)

(2)

UR(t)=UR·sin(ωt+θR)

(3)

由于精密電阻與蓄電池串聯(lián)在一個回路上，二者響應(yīng)電壓信號的相位差為0，θr=θR。交流信號經(jīng)過隔直、濾波放大和整流后，轉(zhuǎn)換成直流電壓信號，直流信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機處理，設(shè)A/D采樣次數(shù)為n，并在響應(yīng)信號的周期內(nèi)進(jìn)行采樣，提高計算精度。則有

(4)

(5)

式中ADr_ad、ADR_ad分別表示蓄電池兩端電壓與精密電阻兩端電壓的10位A/D采樣值。

則

(6)

(7)

式中：Vcc為單片機工作電壓，作為模擬參考電壓；Vr、VR分別為蓄電池兩端和精密電阻兩端響應(yīng)電壓轉(zhuǎn)換后的直流電壓。

本文采樣的是精密電阻R與蓄電池內(nèi)阻r兩端的總響應(yīng)電壓UR+r和蓄電池內(nèi)阻r兩端的響應(yīng)電壓Ur，則有

UR+r(t)=UR+r·sin(ωt+θR+r)

(8)

整流濾波后UR+r(t)轉(zhuǎn)換為直流電壓，記為VR+r，則

(9)

式中ADR+r_ad為UR+r的10位AD采樣值。

同時精密采樣電阻R與蓄電池內(nèi)阻r串聯(lián)構(gòu)成統(tǒng)一回路，流經(jīng)二者的電流相同，由歐姆定律及式(6)、式(9)可得蓄電池內(nèi)阻r的表達(dá)式為：

(10)

由式(10)可知，蓄電池內(nèi)阻r只與已知精密采樣電阻R、蓄電池兩端峰值電壓Vr以及蓄電池與采樣電阻兩端的峰值總電壓VR+r有關(guān)，后續(xù)的處理只需對Vr與VR+r進(jìn)行精確檢測，從而避免了正弦信號相位差的檢測，提高了檢測儀的檢測精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2 內(nèi)阻檢測儀的硬件設(shè)計

本文提出的內(nèi)阻檢測儀中設(shè)計了蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由控制器、交流恒流源、濾波放大電路、整流電路、顯示模塊等組成。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)控制器選用高速、低功耗、高抗干擾的單片機STC12C5A60S2，該單片機自帶8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換電路，工作電壓可選3 V或5 V；通信模塊選用485通信模塊，通信穩(wěn)定，抗共模干擾能力強。系統(tǒng)的工作原理及過程如下：單片機控制交流恒流源輸出正弦信號；交流信號注入到鉛酸蓄電池，在蓄電池及精密電阻兩端產(chǎn)生響應(yīng)信號；響應(yīng)信號經(jīng)隔直電路、濾波放大電路及整流等電路處理，并送入單片機進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和采樣；根據(jù)測得的蓄電池及精密電阻兩端的電壓計算出鉛酸蓄電池的內(nèi)阻，并將數(shù)據(jù)通過顯示模塊顯示出來。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 交流恒流源設(shè)計

本文設(shè)計的內(nèi)阻檢測儀采用正弦波發(fā)生器芯片ML2035[7]產(chǎn)生正弦交流信號，設(shè)計電路如圖3所示。如圖所示，電路采用正負(fù)5 V電源，ML2035芯片的CLK引腳接入單片機的XTAL1，SCK引腳用于串行時鐘輸入，SID引腳控制輸出信號的頻率，LATI引腳用于在下降沿將頻率控制字鎖入鎖存器中。單片機發(fā)出特定時鐘后，ML2035可產(chǎn)生0～25 kHz的正弦交流信號。正弦信號與直流信號疊加后，與蓄電池正負(fù)極及精密電阻組成串聯(lián)回路，此時經(jīng)過回路的交流電流即為恒定交流電流。

圖3 ML2035驅(qū)動電路

2.2 濾波放大電路

正弦交流信號注入到蓄電池后，由于交流信號微弱，易受噪聲干擾，有效信號被抑制。圖4為濾波放大前蓄電池兩端的響應(yīng)電壓波形。抑制噪聲干擾，提高有效信號辨識度可提高系統(tǒng)的精度與檢測結(jié)果有效性。本文采用二階壓控電壓源帶通濾波電路，其中設(shè)計的帶通濾波器中心頻率為1 000 Hz，帶通寬度為100 Hz，電路圖如圖5所示。濾波放大電路主要由帶通濾波電路及反相比例放大器組成，響應(yīng)信號經(jīng)濾波放大后可有效濾除噪音干擾，圖6為濾波放大后蓄電池兩端的響應(yīng)電壓波形。比較圖4和圖6，濾波電路濾波效果良好，噪聲被有效抑制。

圖4 濾波放大前的波形

圖5 濾波放大電路

圖6 濾波放大后的波形

2.3 整流電路

為了獲得直流電壓信號，設(shè)計了全波整流電路，如圖7所示，整流電路的作用是將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動性直流電。全波整流后的直流電壓信號是脈動直流，含有交流成分，對其進(jìn)行π型濾波后，消除雜波干擾，進(jìn)一步抑制噪聲，使其變成穩(wěn)定的直流電壓信號。整流時的波形與整流濾波后的波形如圖8和圖9所示。

圖8 整流時波形

圖9 整流濾波后波形

3 實驗驗證與分析

為了驗證內(nèi)阻儀內(nèi)阻檢測的可行性，對型號為FGC200，容量為12V220AH的前端子鉛酸蓄電池進(jìn)行了2次實驗。第一次實驗對一個新電池進(jìn)行10次檢測，檢測結(jié)果與標(biāo)定內(nèi)阻進(jìn)行對比；第二次實驗對一組新電池與老化電池分別進(jìn)行檢測，并與HIOKI-3554內(nèi)阻儀的檢測結(jié)果進(jìn)行對比。測量結(jié)果如表1、表2所示。

表1 FGC200蓄電池標(biāo)定2 mΩ內(nèi)阻檢測值

次數(shù)測量值/mΩ與標(biāo)定值誤差/%11.990.522.073.532.021.042.021.051.981.061.981.072.073.582.042.091.971.5101.962.0

表2 蓄電池內(nèi)阻檢測數(shù)據(jù)對照表

從上述圖表中的數(shù)據(jù)可以得出：本文提出的內(nèi)阻檢測儀的重復(fù)精度在5%以內(nèi)；本文設(shè)計的內(nèi)阻檢測儀與HIOKI-3554高精度內(nèi)阻儀的檢測結(jié)果基本吻合，老化蓄電池的內(nèi)阻明顯大于新電池，可以顯著區(qū)分，并判斷蓄電池的SOH，可靠性較好，。為進(jìn)一步提高檢測精度，可采用四階或更高階的帶通濾波，截止頻率段變窄，濾波效果更理想；還可選用帶有16位A/D采樣的單片機處理器。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的蓄電池內(nèi)阻檢測儀包括了一套內(nèi)阻檢測系統(tǒng)，采用了一種易實現(xiàn)的交流阻抗法，避免了一般交流阻抗法中交流電流與交流電壓信號的相位差的測量，簡化了硬件系統(tǒng)復(fù)雜程度。為了驗證此檢測儀內(nèi)阻檢測的可行性，進(jìn)行了2組實驗進(jìn)行驗證，最后與HIOKI-3554內(nèi)阻儀的結(jié)果進(jìn)行比較。實驗結(jié)果表明本文所提出內(nèi)阻檢測儀可有效地檢測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻,判斷電池的SOH，并區(qū)分新舊電池，精度也滿足要求，為鉛酸蓄電池的內(nèi)阻檢測提供一個實用的方法。

[1] REMMLINGER J,MEILER M B,DIETMAYER P B.State-of-health monitoring of lithium-ion batteries in electric vehicles by on-board internal resistance estimation.Journal of power sources,2011,196 (12)：5357-5363 .

[2] NAGSHIMA S,TAKAHASH K,YABUMOTO T,et al.Development and field experience of monitoring system forvalve-regulated lead-acid batteriesin stationary applications.Journal of PowerSources,2006,158(2)：1166-1172.

[3] 李芳培,毛建國,沈峘,等.基于交流阻抗法的蓄電池內(nèi)阻測量.重慶工學(xué)院學(xué)報,2009,23(9):93-98.

[4] 白海霞,朱晨,陳后金.閥控式鉛酸蓄電池內(nèi)阻分析.電源技術(shù),2011,35(2):183-185；188.

[5] FENG Z H,LI Z.Research On Integrated Method To Detect InternalResistance Of Substation Battery.Power and Energy Engineering Conference (APPEEC),Shang hai,2012.

[6] 高明裕,張紅巖.蓄電池剩余電量在線測量.電測與儀表,2000,37(9):28-31.

[7] 孫悅,尹成群,黃怡然.基于ML2035低頻正弦信號發(fā)生器的設(shè)計.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008,31(21)：106-108.

Design of Lead-acid Battery Internal Resistance Tester

LI Yan,LI Yi，NI Min-na

(College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

SOH(State of Health) of lead-acid battery reflects deterioration degree of battery,which has the corresponding relation with battery internal resistance.A lead-acid battery internal resistance tester was designed,which was based on the AC impedance method for measuring internal resistance fast.The sinusoidal AC signal was produced by the AC constant current source and was injected to the battery.Meanwhile,the precision sampling resistor and battery composed a series circuit.The weak response signal produced from storage battery and precision resistance entered single chip microcomputer for A/D converter .The battery internal resistance was calculated by response voltage ratios and was shown in the screen.To verify the performance of the battery internal resistance tester,the experiment was carried out.The experimental result shows that the battery internal resistance tester can detect internal resistance of lead-acid battery,deduce SOH of the battery,and distinguish between ageing and new batteries.The results of the measurement are relatively stable and precise.Accordingly,the tester has certain practical value.

lead-acid battery;AC impedance method;internal resistance measurement;SOH;constant current resource

2014-11-07 收修改稿日期：2015-03-28

TP216

A

1002-1841(2015)08-0050-04

李艷(1978—)，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要研究方向為模糊控制、智能檢測系統(tǒng)以及多電機同步控制。 E-mail：liyanly@dhu.edu.cn 李燚(1992—)，碩士研究生，主要研究方向軟硬件開發(fā)及智能檢測系統(tǒng)。E-mail:992190025@qq.com