淺析精確測(cè)量蓄電池內(nèi)阻原理與方法

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)開路電壓法

開路電壓法是通過(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

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

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

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)。

設(shè)正弦信號(hào)為：

(1)

蓄電池兩端的響應(yīng)電壓信號(hào)為：

(2)

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：

(3)

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：

(4)

由交流法測(cè)內(nèi)阻原理得：

(5)

式中I為交流恒流源信號(hào)的最大值。比較(4)、(5)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。