鉛酸蓄電池在線檢測儀的設(shè)計(jì)

張端陽， 郭樹滿

(1.鄭州科技學(xué)院實(shí)踐中心，河南鄭州 450064；2.華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河南鄭州 450045)

0 引言

鉛酸蓄電池作為最廣泛的可循環(huán)使用的儲(chǔ)能設(shè)備之一，常為工業(yè)應(yīng)急照明設(shè)備、工業(yè)巡檢設(shè)備提供電力，鉛酸蓄電池的性能直接關(guān)系到設(shè)備的使用壽命及可靠性，因此及時(shí)了解蓄電池的工作狀態(tài)可以有效地預(yù)防設(shè)備突發(fā)故障的發(fā)生[1]。鉛酸蓄電池本身的參數(shù)較多，但是其安全性和儲(chǔ)能能力主要體現(xiàn)在內(nèi)阻和電壓2個(gè)參數(shù)上，通常對鉛酸蓄電池性能的檢測也主要體現(xiàn)在內(nèi)阻和電壓上。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池檢測儀智能化程度低、檢測精度偏低且價(jià)格相對較高，因此本文研制了一個(gè)新型鉛酸蓄電池智能檢測儀，可以通過檢測儀上的LCD屏實(shí)時(shí)查看被測蓄電池的各項(xiàng)參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)對被測蓄電池參數(shù)的本地存儲(chǔ)，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。實(shí)際實(shí)驗(yàn)證明該型檢測儀具有高度集成化、測量精度高、便攜式以及成本低等優(yōu)點(diǎn)[2]。

1 鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測原理

本系統(tǒng)利用交流注入法來檢測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻，即對蓄電池注入恒定的電流源Is，然后測量電極兩端感應(yīng)出的電壓Us，為了進(jìn)一步提高測量的精度，采用交流四端子測量法將驅(qū)動(dòng)電流回路和感應(yīng)電壓回路分開，減小測量導(dǎo)線電阻帶來的誤差[3]。內(nèi)阻檢測原理圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)阻檢測原理圖

圖2 蓄電池內(nèi)部等效圖

為了更為直觀地觀察到蓄電池內(nèi)阻的變化情況，將蓄電池等效成如圖2所示的電路，當(dāng)注入固定頻率的恒流源時(shí)，在蓄電池內(nèi)部會(huì)發(fā)生反饋效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電壓U，圖中R5、R6、R7分別表示蓄電池的內(nèi)阻、虛部內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻，恒流源Is和產(chǎn)生的感應(yīng)電壓U可以表示為

I=Imaxsin(ωt+φ)

(1)

U=Umaxsinωt

(2)

因此蓄電池的阻抗可以表示為

(3)

當(dāng)輸入的交流信號(hào)的頻率f變化時(shí)，ω也隨之變化，當(dāng)采用四端子測量法時(shí)測得的蓄電池的阻抗主要與輸入恒流源的頻率有關(guān)，減小了外界復(fù)雜環(huán)境因素的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性。再結(jié)合以下公式就可以求得蓄電池的內(nèi)阻R：

(4)

R=Zcosθ

(5)

2 鉛酸蓄電池在線檢測儀的總體方案設(shè)計(jì)

本文采用交流注入四端子測量方法，將恒流源注入到鉛酸蓄電池內(nèi)，此時(shí)蓄電池內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生反饋電流，結(jié)合相關(guān)外圍電路可以測量得到相應(yīng)的感應(yīng)電壓，把產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的波形結(jié)合注入的恒流源波形作相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算，便可以計(jì)算得到蓄電池的內(nèi)阻[4-5]。最后再利用電壓檢測芯片完成對蓄電池電壓的檢測，把測量結(jié)果顯示在外接LCD屏上或者通過預(yù)留的串口通訊接口把測量結(jié)果傳到上位機(jī)上顯示，除此之外，系統(tǒng)還具有本地存儲(chǔ)功能，可以實(shí)現(xiàn)對各個(gè)蓄電池測量結(jié)果的存儲(chǔ)，便于后續(xù)分析。鉛酸蓄電池在線檢測儀的總體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

3 鉛酸蓄電池在線檢測儀硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要包括基于STM32的恒流源發(fā)生電路、功率放大電路、感應(yīng)回波電壓采樣電路、蓄電池電壓檢測電路、LCD屏顯示電路以及串口通訊電路等[6]。硬件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 恒流源發(fā)生電路

系統(tǒng)利用STM32F407內(nèi)部的12位DAC控制器輸出頻率為1 kHz的正弦波電壓信號(hào)，再利用以AD844為核心的第二代電流輸出傳感器構(gòu)成的壓控電流源電路實(shí)現(xiàn)恒流源的功能[7]。其原理是當(dāng)AD844正向端通入電壓信號(hào)時(shí)，輸入電壓則會(huì)原樣到達(dá)反向輸入端，而且會(huì)在電阻R8上產(chǎn)生電流信號(hào)，正因?yàn)锳D844具有電流鏡的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)出的電流幾乎全部流入到負(fù)載R13中，為了提高系統(tǒng)的性能，引入運(yùn)放U6作為輸入緩沖器和運(yùn)放U8作為直流反饋使得輸出電壓的殘余直流分量為零。輸出電流為I0=Vi/R8。壓控電流源電路如圖5所示。

圖5 壓控電流源電路圖

3.2 功率放大電路

由于恒流源輸出的交流電流較小無法直接注入到蓄電池內(nèi)，必須通過功率放大電路增加恒流源輸出的功率，本系統(tǒng)以AD8610為核心設(shè)計(jì)了一種功率放大電路，在放大器的輸入端通過電容C21濾除直流成分，經(jīng)過放大后注入到鉛酸蓄電池內(nèi)[8]。AD8610具有低失真、低噪聲、低失調(diào)電壓以及低偏置電流的優(yōu)點(diǎn)，采用±5 V雙電源供電，非常適合用來放大初始恒流源信號(hào)，放大電路如圖6所示。

圖6 功率放大電路

3.3 感應(yīng)回波采樣電路

當(dāng)把交流電流信號(hào)注入到蓄電池內(nèi)部時(shí)其產(chǎn)生的感應(yīng)電流也會(huì)很微弱，約mA級，經(jīng)過采樣電阻后形成的采樣電壓同樣很微小且伴隨著干擾信號(hào)，因此必須對回波信號(hào)進(jìn)行放大濾波。為了保證放大的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)選用專用儀用放大器AD620來完成回波信號(hào)的放大，再利用帶通濾波電路濾除回波信號(hào)中的高低頻干擾信號(hào)，帶通濾波電路的中心頻率為1 kHz，感應(yīng)回波放大濾波電路如圖7所示。

圖7 感應(yīng)回波放大電路

3.4 蓄電池電壓檢測電路

本文設(shè)計(jì)的蓄電池在線檢測儀主要是檢測蓄電池的內(nèi)阻和電壓，上述電路主要是完成對蓄電池內(nèi)阻的測量，以下開始進(jìn)行對蓄電池電壓的檢測[9]。隨著蓄電池長時(shí)間使用，其可儲(chǔ)存的電壓開始減小，因此對蓄電池電壓的測量也可以反映出待測蓄電池的性能。由于對電壓檢測技術(shù)相對成熟，本文選用電壓檢測芯片BQ26500，其可以完成對蓄電池電壓的實(shí)時(shí)測量，并且功耗極低，電壓檢測電路如圖8所示。

圖8 蓄電池電壓檢測電路

BQ26500內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對采集的模擬電壓的轉(zhuǎn)換，BAT+、BAT-分別接蓄電池的正負(fù)極，當(dāng)芯片采集到蓄電池的電壓時(shí)自動(dòng)把其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，HDQ與STM32的引腳相連，直接把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量發(fā)送給STM32。

3.5 通訊電路

系統(tǒng)可以通過預(yù)留的RS485通訊接口與上位機(jī)通訊，還可以通過LCD屏直觀地顯示測量結(jié)果[10]。其中采用SP3485芯片來完成串口通訊，把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。SP3485芯片供電電壓范圍為3.0～3.6 V，芯片的B、A引腳接一個(gè)120 Ω的電阻實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，以達(dá)到吸收總線上發(fā)射信號(hào)的目的，RS485通訊電路如圖9所示。

圖9 RS485通訊

本系統(tǒng)采用STM32的FSMC總線接口與LCD屏實(shí)現(xiàn)通訊，F(xiàn)SMC即靜態(tài)存儲(chǔ)控制器，其能夠與同步或異步存儲(chǔ)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。LCD顯示電路如圖10所示。

圖10 LCD顯示電路

4 軟件設(shè)計(jì)

鉛酸蓄電池在線檢測儀的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，針對不同的測量要求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的子程序，便于主程序中對各個(gè)子應(yīng)用程序的調(diào)用，增強(qiáng)了程序的可讀性。系統(tǒng)軟件主要設(shè)計(jì)了壓控恒流源控制程序、外部按鍵輸入程序、蓄電池內(nèi)阻算法計(jì)算程序、A/D轉(zhuǎn)換程序等。首先把1 kHz的恒流源注入到蓄電池內(nèi)部，其產(chǎn)生的反饋電流流經(jīng)采樣電阻形成回波電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換器采集此回波電壓信號(hào)，在STM32內(nèi)部計(jì)算處理得到蓄電池的內(nèi)阻值。由BQ25600芯片之間完成對蓄電池電壓信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量發(fā)送給STM32，最終在LCD屏上實(shí)時(shí)蓄電池的性能參數(shù)，系統(tǒng)軟件流程圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及靈敏度，首先對系統(tǒng)做如下測試：根據(jù)蓄電池內(nèi)阻的范圍，選取2 mΩ和20 mΩ的電阻來模擬蓄電池的內(nèi)阻，用本文設(shè)計(jì)的在線檢測儀測量2個(gè)電阻，測量結(jié)果如表1所示。

表1 模擬蓄電池內(nèi)阻測量數(shù)據(jù)

由上述測量數(shù)據(jù)可知，當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)阻值的電阻模擬蓄電池內(nèi)阻時(shí)，其測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)阻值基本一致，內(nèi)阻測量絕對誤差小于1%，本文設(shè)計(jì)的蓄電池在線檢測儀靈敏度高，可滿足實(shí)際測量需要。

完成系統(tǒng)的靈敏度檢測之后，開始檢測實(shí)際的鉛酸蓄電池來驗(yàn)證系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性。測試時(shí)選用12 V/100 A h的鉛酸蓄電池作為檢測樣本，利用電壓表以及內(nèi)阻檢測儀測出其額定電壓為12.52 V、內(nèi)阻為4.5 mΩ，再利用本文設(shè)計(jì)的分析儀對其進(jìn)行檢測，共檢測8塊蓄電池樣本，每組樣本測量10次后去平均值作為實(shí)際檢測值，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 8塊蓄電池測量數(shù)據(jù)

由上述測量數(shù)據(jù)可知，對蓄電池電壓的測量十分準(zhǔn)確，近似沒有誤差；對內(nèi)阻的測量準(zhǔn)確度高，誤差小于2%，實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的鉛酸蓄電池在線檢測儀可以有效地檢測蓄電池的內(nèi)阻以及電壓等參數(shù)，極大提高了檢測的效率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的鉛酸蓄電池檢測儀，采用四端子接線以及交流注入法來測量蓄電池的內(nèi)阻，減小了導(dǎo)線電阻帶來的誤差；利用專業(yè)電壓檢測芯片BQ26500實(shí)現(xiàn)對蓄電池電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測。為了驗(yàn)證系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性以及穩(wěn)定性，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，并把系統(tǒng)測得的參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)儀器測得值進(jìn)行對比，實(shí)際測量結(jié)果表明該檢測儀測量精度高、穩(wěn)定性好，具有體較小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。