李　瑩，朱　武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上?！?00090)

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基于小電流二次放電法的蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)研究

李瑩，朱武

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，上海200090)

針對(duì)鉛酸蓄電池內(nèi)阻小、大電流放電對(duì)電池?fù)p害大、小電流放電信號(hào)小等問(wèn)題，提出了一種小電流二次放電法測(cè)蓄電池內(nèi)阻的新方法；采用組合開(kāi)關(guān)和精密高穩(wěn)定性功率電阻組成兩個(gè)放電回路，在控制器的作用下進(jìn)行兩次小電流放電，經(jīng)過(guò)采樣保持器分別采集兩次放電過(guò)程中放電電阻兩端的電壓，兩次放電電壓差值由超低失調(diào)漂移放大器ICL7650進(jìn)行放大，由兩次放電電阻的端電壓及差值，實(shí)現(xiàn)蓄電池的內(nèi)阻測(cè)量；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，兩次小電流放電測(cè)得的蓄電池內(nèi)阻值與大電流放電測(cè)得的蓄電池內(nèi)阻結(jié)果一致，該方法可實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的在線檢測(cè)。

蓄電池；小電流放電；內(nèi)阻；在線檢測(cè)

0　引言

蓄電池的內(nèi)阻作為蓄電池的重要性能指標(biāo)之一，無(wú)論是蓄電池的性能、容量狀態(tài)還是充放電狀況，都能從它的內(nèi)阻變化中體現(xiàn)出來(lái)。因此，可以通過(guò)檢測(cè)蓄電池的內(nèi)阻，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估[1]。

目前常用的蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)方法主要有密度法、交流注入法和直流放電法[2]。密度法是通過(guò)檢測(cè)電池電解液的密度來(lái)估算電池的內(nèi)阻，常用于檢測(cè)開(kāi)口式鉛酸蓄電池的內(nèi)阻，不適合密封式鉛酸蓄電池的檢測(cè)[3]。交流注入法是給蓄電池注入一個(gè)低頻的交流電流信號(hào)，檢測(cè)蓄電池兩端的電壓和流過(guò)的電流及兩者的相位差，即可計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻[4]。交流法可以實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的線檢測(cè)和管理，但是，這種方法測(cè)量參數(shù)過(guò)多，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，比較適合單體電池的檢測(cè)[5-7]。直流內(nèi)阻法的基本原理是給蓄電池串聯(lián)直流負(fù)載，對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電，電流大小通常為幾十到上百安，通過(guò)檢測(cè)負(fù)載撤除前后回路中的放電電流和蓄電池端電壓的變化，可得蓄電池的內(nèi)阻。直流法可在線精確檢測(cè)蓄電池的內(nèi)阻，并且，測(cè)量誤差可控制在0.1%以內(nèi)。此方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)蓄電池有大電流通過(guò)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)極化內(nèi)阻，對(duì)蓄電池的損害也較大，不利于在線檢測(cè)[8-9]。

通過(guò)對(duì)蓄電池內(nèi)阻模型的分析以及目前常用的蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)方法的研究，設(shè)計(jì)了一種新的蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)方法—小電流二次放電法，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)直流放電法對(duì)蓄電池內(nèi)阻的在線檢測(cè)。

1　直流小電流二次放電法的基本原理

直流放電法是檢測(cè)蓄電池內(nèi)阻最直接的方法，常用的大電流放電對(duì)蓄電池的損害較大不宜在線檢測(cè)；小電流放電法因內(nèi)阻壓降信號(hào)小測(cè)量準(zhǔn)確度不高。小電流二次放電法在線檢測(cè)的等效電路如圖1所示。

圖1　直流小電流二次放電法等效電路

圖1中虛線框內(nèi)為直流放電狀態(tài)下蓄電池的等效模型[8]，Rs即為蓄電池的等效內(nèi)阻，E為蓄電池的開(kāi)路電壓，RL為在線狀態(tài)下的等效阻抗，R1、R2為放電回路串聯(lián)的高穩(wěn)定性精密功率電阻。利用兩次小電流放電，將蓄電池內(nèi)阻壓降在兩次放電過(guò)程中的壓差進(jìn)行放大，提高信號(hào)的幅度，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。其工作原理如下：

首先開(kāi)關(guān)K1、K2都斷開(kāi)，蓄電池對(duì)負(fù)載電阻RL放電，可測(cè)得RL兩端電壓為U0和流過(guò)RL的電流為IS,實(shí)現(xiàn)蓄電池負(fù)載電阻的在線識(shí)別。由歐姆定律可得:

(1)

其次，對(duì)蓄電池進(jìn)行第一次小電流放電，K1閉合，K2斷開(kāi)，蓄電池對(duì)電阻R1和RL放電，設(shè)R1’=R1//RL,R1兩端電壓為U1,由歐姆定律可得:

(2)

然后，對(duì)蓄電池進(jìn)行第二次放電，K2閉合，K1斷開(kāi)，蓄電池對(duì)電阻R2和RL放電，設(shè)R2’=R2//RL,R2兩端電壓為U2，由歐姆定律可得：

(3)

由式(2)、(3)整理可得：

(4)

將R1’、R2’代入(4)式整理可得內(nèi)阻Rs的最終表達(dá)式：

(5)

因此，由(5)式可知首先在線識(shí)別出蓄電池的等效負(fù)載阻抗RL，再由兩次放電的過(guò)程測(cè)得外接放電功率電阻兩端的電壓U1、U2、U2-U1，即可求得蓄電池的內(nèi)阻Rs。

2　測(cè)量系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)直流小電流二次放電法的原理設(shè)計(jì)了蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)整體硬件如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)整體硬件框圖

系統(tǒng)由組合開(kāi)關(guān)電路、放電回路、電壓電流采集電路、信號(hào)調(diào)理電路、采樣保持電路、差分放大電路及單片機(jī)控制系統(tǒng)等組成。上電后，首先由單片機(jī)控制組合開(kāi)關(guān)進(jìn)行兩次小電流放電并由進(jìn)行電壓電流采集；其次將采集到的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行放大濾波處理；然后經(jīng)采樣保持和差分放大電路得到兩次小電流放電的電壓差值；最后將采集到的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送入單片機(jī)中，由式(5)計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻。

系統(tǒng)中主控芯片選用C8051F350單片機(jī)，它具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、帶24或16位單端/差分ADC、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器等，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。放電回路1和放電回路2均由精密功率電阻電路組成，以提高測(cè)量精度。電壓電流采集電路選用霍爾傳感器進(jìn)行信號(hào)采集。由于兩次小電流放電的電壓差值很小，為了減小測(cè)量誤差，系統(tǒng)將兩次小電流放電過(guò)程中采集到的電壓信號(hào)，經(jīng)采樣保持和差分放大達(dá)到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的適當(dāng)電壓水平，然后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以提高U2-U1差值的準(zhǔn)確度。

2.1采樣保持電路設(shè)計(jì)

采樣保持部分硬件電路如圖3所示，采樣保持器選用LF398，采樣保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，在采樣狀態(tài)它精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，一直到接到保持指令為止；在保持狀態(tài)它等于模擬信號(hào)存儲(chǔ)器[10]。圖中RE1、RT1和RE2、RT2分別組成兩個(gè)采樣保持器的調(diào)零電路，Ch1和Ch2為保持電容。

圖3　采樣保持部分硬件電路圖

(6)

減法器的輸出Uout為：

(7)

已知蓄電池內(nèi)阻值Rs約為9 mΩ，兩次小電流放電電流差值ΔI約為0.6 A，電壓差值ΔU為：

已知選用的單片機(jī)內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓為2.5 V，綜合式(6)、(7)及單片機(jī)參考電壓，差分放大倍數(shù)A取200。減法器電路參數(shù)為：電阻R12取200 K，R13取1 K。

2.2采樣保持電路參數(shù)選取

本文用兩次采樣獲得兩次小電流放電時(shí)功率電阻兩端的電壓值，然后將兩次電壓采樣值進(jìn)行差分運(yùn)算，并對(duì)差值放大。由于采樣保持器內(nèi)部放大器的輸入端偏置電流的影響，先執(zhí)行保持指令的采樣保持器的電壓值將發(fā)生變化，當(dāng)兩次采樣的時(shí)間間隔相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)，將給差值運(yùn)算帶來(lái)較大的誤差，影響內(nèi)阻測(cè)量的準(zhǔn)確度。為了減小偏執(zhí)電流引入的誤差，必須根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況選擇合適的外接保持電容和兩次采樣時(shí)間間隔等參數(shù)[11]。

假設(shè)兩次采樣時(shí)間間隔為△t，采樣保持電容值為Ch，采樣保持器前端放大器的偏置電流典型值為IB，兩次放電電流的差值為△I，蓄電池的內(nèi)阻為Rs，且兩路采樣保持器內(nèi)部放大器偏執(zhí)電流大小方向相同，則在△t時(shí)間內(nèi)，采樣電容兩端的電壓變化為：

(8)

在兩次采樣時(shí)間間隔△t內(nèi)，偏執(zhí)電流引起的采樣保持器電容的電壓變化△U為：

(9)

若要消除放大器偏置電流對(duì)電路的影響，則需滿足：

(10)

由式(6)～(8)整理可知：采樣保持電路中相關(guān)參數(shù)△t、Ch、IB、△I、Rs需滿足:

(11)

由式(9)可知，當(dāng)偏置電流IB、Rs蓄電池內(nèi)阻以及兩次放電電流之差△I的值基本確定之后，兩次采樣時(shí)間間隔△t和保持電容Ch的取值將由式(11)進(jìn)行優(yōu)化。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證此內(nèi)阻檢測(cè)方法的可行性，本文對(duì)某品牌12 V、38 Ah的鉛酸蓄電池進(jìn)行了內(nèi)阻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，并與瞬間大電流放電法檢測(cè)所得內(nèi)阻值進(jìn)行比較。瞬間大電流放電法測(cè)試結(jié)果記為測(cè)試值1，直流小電流二次放電法測(cè)試結(jié)果記為測(cè)試值2。

已知該蓄電池標(biāo)稱內(nèi)阻為8.75 mΩ，采樣保持器前端放大器的偏置電流典型值為IB=30 pA，小電流放電回路中R1、R2分別選用10.032 Ω和20.024 Ω的精密功率電阻，電阻R2由16個(gè)阻值為320 Ω、溫度系數(shù)為±15 ppm、精度為0.1%、功率為1 W的精密功率電阻經(jīng)過(guò)并聯(lián)之后得到，R1則是由兩組R2并聯(lián)得到，滿足放電要求。電路中的等效負(fù)載選用20 Ω的電阻，蓄電池的滿充電壓約為13 V?？芍獌纱畏烹婋娏鞯牟钪怠鱅≈0.6 A，采樣時(shí)間△t為4.5 s，保持電容Ch=5 μF，滿足下式:

(12)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由測(cè)試結(jié)果可知，直流小電流二次放電法與瞬間大電流放電法所測(cè)蓄電池內(nèi)阻相對(duì)誤差在0.2%左右，滿足蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)的精度要求。

表1　測(cè)試數(shù)據(jù)

4　結(jié)論

通過(guò)分析幾種常用的蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)方法，對(duì)比了其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了基于小電流二次放電法的蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)方法。重點(diǎn)介紹了采樣保持電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)選取，并通過(guò)與瞬間大電流放電法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可靠性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明此方法與瞬間大電流放電法的誤差在0.2%以內(nèi)，滿足蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)的要求，可實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的準(zhǔn)確在線檢測(cè)。

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Battery Internal Resistance Online Detection Research Based on the Small Current Secondary Discharge

Li Ying,Zhu Wu

(School of Electronic and Information Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China)

Aiming at the problem of lead-acid battery internal resistance is small,large current discharge of battery damage too large and the signal of small current discharge is too small,proposes a new method,small current secondary discharge ,to test the internal resistance of battery . The two discharge circuit is composed of switch combination and precision high stability power resistance,two small current discharge in the role of the controller.Collected the voltage of the two discharge resistor through the sample and hold device during the two discharge process,two discharge voltage difference by ultra low offset drift amplifier ICL7650 amplification,by two discharge resistor terminal voltage and the difference,in order to achieve battery internal resistance measurement. The experimental data show that the two small current discharge measuring battery internal resistance and large current discharge measuring battery internal resistance is consistent with the result,the method can realize online detection of battery internal resistance.

battery;small current discharge; internal resistance;on-line detection

1671-4598(2016)04-0045-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.014

TM912

A

2015-10-30；

2015-11-27。

上海市教委科研創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目(11ZZ173)。

李瑩(1989-)，女，河南周口人，碩士研究生，主要從事儀表與檢測(cè)技術(shù)和蓄電池在線監(jiān)測(cè)方向的研究。

朱武(1969-)，男，湖北隨州人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事電磁計(jì)量、交直流轉(zhuǎn)換技術(shù)和電力電纜故障診斷的研究。