檢測儀器蓄電池測試裝置的研制與應用

周子驪　周剛　錢軍　高惠新　胡海平

摘要：在對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)的測試工作過程中，常常會碰到電池無電、電量不足，造成無法測試及所測數(shù)據(jù)不正確。特別是在測試工作出發(fā)前，對測試儀器儀表進行檢查時，電量顯示是滿的，到了施工現(xiàn)場使用時，電池電量瞬間降低，發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的。但目前無法在測試工作前，對測試儀器電池的好壞進行測試，工作造成很大的麻煩。因此，本文研制對檢測儀器電池電量測試的裝置，不僅能對測試儀器的電池的實際電量進行測試，而且能根據(jù)一些測試數(shù)據(jù)來判斷電池是否正常。

關鍵詞：電量不足；無法測試；電量測試；判斷；是否正常

引言

電力系統(tǒng)在設備的安裝、檢修、預試等日常的工作中，為了確保電力設備能正常、安全、經(jīng)濟地運行，需要對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數(shù)測試，來判斷被測的設備是否正常、是否存在缺陷。

目前所用的檢測儀器大部分需要有電池電源供電才能工作，測試工作過程中常常會碰到電池無電、電量不足。特別是在測試工作出發(fā)前，對測試儀器儀表進行檢查時，電量顯示是滿的，到了施工現(xiàn)場使用時，電池電量瞬間降低，發(fā)現(xiàn)電池顯示的電量是虛擬的，造成無法測試及所測數(shù)據(jù)不正確。但目前無法在測試工作前，對測試儀器電池的好壞進行對測試…。

首先在現(xiàn)場工作中，一旦發(fā)現(xiàn)檢測儀器沒電或電量不足，我們必須回班組更換測試儀器或現(xiàn)場電池充電。我們大家都知道，工作現(xiàn)場一般都在變電所或發(fā)電生產(chǎn)車間，來回都需要大量的時間，若對電池現(xiàn)場充電更會浪費我們的工作時間，這危及到設備的正常投運時間，無法確保按時送電，為廣大的用電用戶提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能。對工作造成很大的麻煩。

其次，電池的日常維護的好壞直接影響到電池的壽命。由于測量儀器內(nèi)部電池的自放電效應，如果長期不進行充放電維護，就會導致電池蓄電能力下降，甚至無法再充電和使用，影響正常的生產(chǎn)。電力生產(chǎn)，安全第一，需要特別注意對這些危險點進行控制。

基于以上的問題，設想研制一套小型的電池檢測裝置，能對儀器內(nèi)部電池進行監(jiān)測，并給出評價結果，提醒試驗人員及時充電或更換電池。能及時提醒試驗人員對電池進行維護和充電。

1.裝置整體概述

檢測儀器蓄電池測試裝置整體框圖如圖1所示，裝置由CPU模塊、內(nèi)阻測量模塊、液晶顯示屏等六部分組成，如圖1所示。

檢測儀器蓄電池測試裝置的內(nèi)部電路框圖，如圖2所示。其采用：

1、主控制器為STM32，負責處理電池電壓測量、電池電流測量、按鍵輸入、輸出控制和輸出指示。

2、輔助電源提供內(nèi)部線路板及相關外設的供電電壓；

3、交流恒流源用于電池內(nèi)阻的測量：

4、恒流放電電路用于測試電池的放電電壓一時間特性曲線；

5、電池電壓和電流測量電路將模擬信號調(diào)理并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給控制器；

6、顯示屏選用128*64點陣分辨率LED背光屏；

7、內(nèi)置實時時鐘、按鍵、指示燈和蜂嗚器等常用外設。

2.詳細電路設計

檢測儀器蓄電池測試裝置其主要由電池內(nèi)阻的測量、交流恒流源和AD9833（一款低功耗、可編程波形發(fā)生器）組成。

2.1檢測儀器電池的特點

檢測儀器電池為一般蓄電池，蓄電池的內(nèi)阻是指電流流過蓄電池內(nèi)部時所受的阻力，鉛酸蓄電池的內(nèi)阻很小，需要用專門的儀器才可以測得比較準確的結果。一般所指的蓄電池內(nèi)阻是充電態(tài)內(nèi)阻，即蓄電池充滿電時的內(nèi)阻。與之對應的是放電態(tài)內(nèi)阻，并且不太穩(wěn)定。蓄電池的內(nèi)阻越大，蓄電池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。內(nèi)阻很大的蓄電池在充電時發(fā)熱很厲害，使蓄電池的溫度急劇上升，對蓄電池和充電器的影響都很大。隨著蓄電池使用次數(shù)的增多，由于電解液的消耗及蓄電池內(nèi)部化學物質(zhì)活性的降低，蓄電池的內(nèi)阻會有不同程度的增大，質(zhì)量越差的蓄電池增大的越快。蓄電池內(nèi)部阻抗會因放電量增加而增大，尤其是在放電終止時阻抗最大，主要因為放電的進行使得極板內(nèi)產(chǎn)生不良導體硫酸鉛以及電解液比重下降，故放電后務必馬上充電。若任其持續(xù)放電，硫酸鉛形成安定的白色結晶（即硫化現(xiàn)象）后，即使充電，極板的活性物質(zhì)亦無法恢復原狀，從而將縮短蓄電池的使用壽命。

2.2測量技術指標：

根據(jù)我單位目前使用的測量儀器電源所用的電池，我們設置檢測儀器蓄電池測試裝置以下技術參數(shù)和精度：

1、檢測儀器蓄電池測試裝置測試電池電壓：范圍（0-20V）、分辨率（0.01V）、精度（±0.2%+2個字）；

2、檢測儀器蓄電池測試裝置測試電池內(nèi)阻：范圍（0.1Ω）、分辨率（1MΩ）、精度（±2%+2個字）。

2.3電池內(nèi)阻的測量：

測量電池內(nèi)阻一般采用四線交流法，因為電池實際上等效于一個有源電阻。交流法通過對電池注入一個低頻交流電流信號，測出電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以及兩者的相位差，從而計算出電池內(nèi)阻。首先產(chǎn)生一個1kHz的恒定交流激勵信號，交流法通過對電池注入一個交流信號1s，測量出電池兩端的電壓響應信號V，以及兩者的相位差θ，Z=Vo/Is，R=Zcos e，即可計算出電池的阻抗，進而反映出蓄電池的性能。

由于正常情況下的電池內(nèi)阻是MQ級的，電路采樣到的電壓和電流信號的相位差也很小，對交流恒流源的要求非常高，紋波稍大或者信號輸入回路有干擾，就會造成電池內(nèi)阻的測量誤差。因此，設計穩(wěn)定標準的正弦交流恒流源尤為重要，同時要對輸入信號進行濾波和信號處理，并使用專用鑒相芯片對電壓和電流的相位差進行計算，才能達到設計的技術指標和預期的使用效果。

AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。波形發(fā)生器廣泛應用于各種測量、激勵和時域響應領域。AD9833無需外接元件，輸出頻率和相位都可通過軟件編程，易于調(diào)節(jié)。頻率寄存器是28位的，主頻時鐘為25MHz時，精度為0.1 Hz；主頻時鐘為1MHz時，精度可以達到0.004 Hz。

可以通過3個串行接口將數(shù)據(jù)寫入AD9833，這3個串口的最高工作頻率可以達到40MHz，易于與DSP和各種主流微控制器兼容。AD9833的工作電壓范圍為2.3 V-5.5 V。AD9833還具有休眠功能，可使沒被使用的部分休眠，減少該部分的電流損耗。例如，若利用AD9833輸出作為時鐘源，就可以讓DAC休眠，以減小功耗。該電路采用10引腳MSOP型表面貼片封裝，體積很小。如圖3所示，設計中采用AD9833產(chǎn)生1kHz的標準正弦波信號源，芯片通過AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA與控制器相連，芯片的第5腳輸入時鐘源，第10腳輸出有直流偏量的交流正弦波信號。

2.4交流恒流源：

測量所需的交流恒流源至少要輸出50mA的電流，才能對MΩ級的電池內(nèi)阻進行測量。而普通運放的輸出電流都不超過10mA，因此設計選用了BB公司（編者注：已被TI公司收購）的OPA541大功率運放，該運放可以在±10～±40V電壓下工作，可連續(xù)輸出高達5A的電流，具有編程限流的功能，內(nèi)部電流限定電路能使用戶僅用一個外接電阻來限定電流，保護運放和免受損壞。如圖4所示，電阻R5組成了限流電路，電阻R8為電流取樣電阻，取樣電阻兩端的電壓輸入運放的負端，形成負反饋電路，保持輸出電流的恒定，如圖4所示。

AD8302是ADI公司用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，主要由精密匹配的兩個帶寬對數(shù)檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內(nèi)的兩輸入信號之間的幅度比和相位差，可應用于RF/IF功率放大器線性比的測量、RF功率的精確控制、駐波比測量及遠程系統(tǒng)的監(jiān)視和診斷等。當芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接跟芯片反饋設置輸入引腳MSET和PSET相連時，芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點上（精確幅度測量比例系數(shù)為30mV/dB，精確相位測量比例系數(shù)為10mV/度，中心點為900mY）。另外測量模式下，工作斜率和中心點可以通過引腳MSET和PSET的分壓加以修改。在中心點900mV處其增益是0dB，-30dB-+30dB的增益范圍對應于0-1.8V的輸出電壓范圍：在中心點900mY處其相位為90度，0-180度的相位范圍對應于1.8-0V的輸出電壓范圍。如圖5所示，輸入的電壓BV和電流B1信號，經(jīng)過AD8302所構成的幅相檢測電路之后，輸出的BBV就反映了BV與BI的增益比，輸出的BBI則反映了BV與BI的相位差。使用專用的幅相檢測芯片，可以避免分立電路產(chǎn)生的器件不一致以及失調(diào)等問題。其輸出信號只需用普通A/D進行采樣，即可按公式計算出電池內(nèi)阻。

2.5電池電量與電壓的對應關系：

測量電池的負載電壓，再根據(jù)如圖6曲線，可以計算出電池的剩余容量。

3.裝置實物圖

根據(jù)上述設計思路，研制出檢測儀器電池電量測試儀。實物如圖7所示。

整機內(nèi)部包含輔助開關電源、主線路板、按鍵板、測試端子、液晶屏等，如圖9、圖10所示。

4.檢測儀器蓄電池測試裝置圖的應用

檢測儀器蓄電池測試裝置，對兆歐表電量的測試如圖11所示。

首先，兆歐表與檢測儀器電池電量檢測裝置相連，四根連線，其中兩根是測試線，兩根信號線。開機，設置相關參數(shù)，進入測試，按確定鍵，裝置自動將電池的幾個參數(shù)順序測試完成后，給出電池的運行狀況。

檢測儀器電池檢測儀界面顯示：圖12所示。

5.推廣應用

鑒于本文研制的檢測儀器一電池電量的測試裝置，在國網(wǎng)嘉興供電公司、恒興電力建設有限公司、嘉興市恒欣電建有限公司實際生產(chǎn)應用過程中，使用方便、安全可靠、效果顯著，本項目獲2014年全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組，目前已申請國家知識產(chǎn)權發(fā)明專利與實用新型專利各一項。并在2014年，列為國網(wǎng)浙江省電力公司群眾性科技性項目，在浙江省電力系統(tǒng)全面推廣應用。

6.總結

針對檢測儀器在測試工作過程中，常常碰到的檢測儀器電池無電、電量不足、虛擬電量等因素，造成儀器無法測試及所測數(shù)據(jù)不正確等問題，給日常工作造成很大的不便；產(chǎn)生安全隱患及所測數(shù)據(jù)正確率低，產(chǎn)生對被測電氣設備的狀態(tài)誤判斷，本文研制的檢測儀器電池電量測試的裝置，電力系統(tǒng)在日常的安裝、檢修、預試檢測工作前，能及時發(fā)現(xiàn)檢測儀器電池不足、電池損壞等狀態(tài)。工作人員及時針對性處理。以此來清除安全隱患，保障現(xiàn)場作業(yè)測試儀器的正常運行的裝置。