基于直接采樣相移法的蓄電池內(nèi)阻測(cè)量

倪洪權(quán)，劉險(xiǎn)峰，孫文玉，范紅亮

(中國(guó)人民解放軍65043部隊(duì) 長(zhǎng)春 130022)

通信系統(tǒng)中的備用蓄電池組是UPS電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)在正常供電中斷時(shí)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的最后保障。如何科學(xué)有效地對(duì)蓄電池進(jìn)行維護(hù)和管理是保障蓄電池系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過(guò)采用在線式阻抗監(jiān)控測(cè)試技術(shù)手段，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，能有效地指導(dǎo)開(kāi)展維護(hù)運(yùn)行工作，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行［4－5］。內(nèi)阻作為一個(gè)真實(shí)存在的物理量，與蓄電池性能存在比端電壓更為緊密的相關(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(cè)量比較內(nèi)阻的變化可以對(duì)電池性能提供預(yù)警信息，這一結(jié)論也得到了資深專(zhuān)家的認(rèn)可［1］。因而，現(xiàn)代通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)提出了更高的要求，需要實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。蓄電池內(nèi)阻的在線檢測(cè)成為通信電源監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，為我們提出了新課題。

1 交流法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的基本原理

交流法在線測(cè)量蓄電池的內(nèi)阻原理［2－3］，如圖1所示，其中Rs為電流采樣電阻，C為隔直流電容。對(duì)電池組注入一個(gè)低頻交流電流信號(hào)，測(cè)出單體電池兩端的低頻交流電壓Uo(i)和流過(guò)的電流Is以及兩者的相位差，如圖2所示。

根據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算出電池的內(nèi)阻。

交流法由于無(wú)需放電，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(cè)管理，避免了對(duì)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(duì)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，由公式(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)公式(3)即可求出其有效值，因此測(cè)量電池內(nèi)阻的關(guān)鍵便是相位差φ的測(cè)量［7－8］。

通常測(cè)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(guò)電壓比較器LM311過(guò)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(cè)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(cè)方法硬件復(fù)雜，成本高，抗干擾能力較差。

圖3 Us和Uo(i)相位一檢測(cè)電路

圖4 檢測(cè)電路各點(diǎn)的信號(hào)波形

2 直接采樣相移法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的基本原理

為了克服上述檢測(cè)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(duì)信號(hào)進(jìn)行同步采樣。在t0、t1，…，tn時(shí)刻分別對(duì)周期為T(mén)的信號(hào)x(t)進(jìn)行采樣，如果滿(mǎn)足下列兩個(gè)條件:

則稱(chēng)為同步采樣，其中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(duì)信號(hào)Us和Uo(i)進(jìn)行同步采樣，采樣間隔為T(mén)s，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(kāi)關(guān)切換到下一通道，即單體電池電壓Uo(1)，對(duì)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(kāi)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(i)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(shuō)明在Us(k1)和Us(k1+1)之間存在一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，設(shè)Δk1為過(guò)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(shuō)明在Uo(i)(k2)和Uo(i)(k2+1)之間存在一個(gè)過(guò)零點(diǎn)，設(shè)Δk2為過(guò)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(jí)(例如通信用200AH閥控鉛酸蓄電池的內(nèi)阻只有1mΩ左右)，因此夾具的接觸電阻以及引線本身的電阻會(huì)對(duì)測(cè)量引入誤差，四端法測(cè)量很好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

如圖6所示，C1C3為測(cè)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(cè)試導(dǎo)線的電阻。在交流源作用下，其中一對(duì)測(cè)試線中流過(guò)電流，并使電池兩端產(chǎn)生響應(yīng)，而測(cè)量響應(yīng)的電路由于輸入阻抗極大，這一對(duì)測(cè)試線中不流過(guò)電流，因而保證了測(cè)試電路測(cè)到的是電池兩端的響應(yīng)。

圖6 四端法測(cè)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(cè)量工作帶來(lái)很多不便，因而蓄電池內(nèi)阻測(cè)量是所有蓄電池檢測(cè)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(cè)量蓄電池內(nèi)阻的方法，克服了交流測(cè)試法的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本造價(jià)低、測(cè)試誤差小等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足蓄電池內(nèi)阻在線檢測(cè)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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