鉛酸蓄電池多參數(shù)在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計

楊 杰，唐 煒，麥志輝，王 瑞，檀三強

(1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇銀佳電子設(shè)備有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

閥控鉛酸蓄電池作為一種久經(jīng)考驗的能量存儲工具，具有放電性能好、穩(wěn)定性高和應用范圍廣的優(yōu)勢，在應急電源(EPS)中占有很大的比重。在鉛酸蓄電池組中，蓄電池單體的內(nèi)阻以及荷電狀態(tài)均不相同；根據(jù)木桶效應，電池組中容量最小的電池充滿后，整個電池組就會處于浮充狀態(tài)，在這樣長期充電不均衡的累積作用下，電池會嚴重受損。此時，如果不能及時篩選出劣化的電池，嚴重時可能會發(fā)生燃燒和爆炸[1]。因此，需要對電池的健康狀態(tài)進行估計，實現(xiàn)電池的健康監(jiān)控并及時更換劣性電池。

李艷等[2]提出蓄電池的健康狀況SOH可以通過測量電池的內(nèi)阻來進行判斷，蓄電池的內(nèi)阻大小可以用來區(qū)分劣化電池。目前，主流內(nèi)阻的檢測方法有2種：交流注入法和直流放電法。白海霞[3]提出的直流放電法是使用大于60 A的放電電流流過負載，并測量放電起始與終止時刻的瞬時電壓變化，通過兩者比值計算內(nèi)阻值。然而，由于直流注入法的瞬時大電流放電會對蓄電池造成較大的損害，并可能導致繼電保護裝置誤動作。基于上述考慮，本文設(shè)計的系統(tǒng)使用交流注入法測量蓄電池的內(nèi)阻，檢測時傳感器向電池注入一個交流激勵信號，通過測量電池兩端產(chǎn)生的響應電壓信號，從而計算出電池的內(nèi)阻值。

交流注入法雖然測量方法簡單，但易受到噪聲的影響。因此，本文在現(xiàn)有交流注入法的基礎(chǔ)上做出改進，加入硬件、軟件多重濾波，并通過加入程控放大電路，實現(xiàn)內(nèi)阻測量量程的自動換擋。此外，本文在內(nèi)阻檢測的同時，對電池溫度、電壓進行測量；通過Modbus-RTU協(xié)議實現(xiàn)單體傳感器的組網(wǎng)通信，并加入蓄電池異常預警機制，做到故障電池及時篩選替換。

1 檢測原理分析

1.1 內(nèi)阻檢測原理

在測量電池內(nèi)阻之前，需要對電池的模型進行分析，電池的模型建立是通過引入外特性模型來描述電池的伏安特性關(guān)系。目前，鉛酸電池的模型等效電路有主要有Thevenin模型、二階RC模型和GNL模型等[4]，簡單的模型不能很好地描述電池的特性，過于復雜也不利于工程應用。為了更好地觀察電池內(nèi)阻的變化，本文選用GNL模型，建立了如圖1所示的等效電路。

圖1 蓄電池GNL內(nèi)阻模型

圖1中,E為恒壓源；Ro為歐姆內(nèi)阻；Rs為自放電或過充電內(nèi)阻；Rp和Cp分別為為濃差極化內(nèi)阻和電容；Re和Ce分別為為電化學內(nèi)阻和電容。

交流注入法的測量原理是在電池兩端注入一定頻率的交流激勵信號，激勵信號進入電池后，通過電池兩端產(chǎn)生響應信號計算內(nèi)阻值。此時的激勵信號可以作2種假設(shè)：

假設(shè)使用恒流電流激勵，ΔI=Imaxsin(2πft)，電池的兩端產(chǎn)生的電壓響應信號為

ΔV=Vmaxsin(2πft+φ)

(1)

若使用恒電壓激勵，ΔV=Vmaxsin(2πft)，電池相應產(chǎn)生的電流響應為

ΔI=Imaxsin(2πft-φ)

(2)

在2種假設(shè)下，蓄電池的阻抗均為

(3)

綜上所述，通過向電池注入一個恒定交流電流信號，電池兩端會產(chǎn)生電壓響應信號，對電池反饋的電壓信號進行測量，即可計算出蓄電池的內(nèi)阻值。

2.2 蓄電池其余參數(shù)采集

蓄電池在使用過程中，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生化學變化、電子遷移等原因，蓄電池的溫度會升高。在電池檢測過程中，通過測量蓄電池負極極柱溫度的變化，可以更加準確地分析蓄電池的狀態(tài)[5]。

文獻[6]中提出,蓄電池的端電壓和蓄電池的剩余容量存在線性關(guān)系,通過測量蓄電池兩端電壓可以推斷電池的剩余容量SOC，電壓越高，剩余容量越高。因此傳感器通過收集電池的端電壓，可以推斷出蓄電池的剩余容量變化。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

蓄電池檢測系統(tǒng)組成如圖2所示，單個傳感器可以檢測蓄電池的內(nèi)阻、電壓、溫度數(shù)據(jù)；通訊模塊使用RS-232通信方式將傳感器收集的數(shù)據(jù)按照電池編號發(fā)送到數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器將數(shù)據(jù)按照Modbus通信協(xié)議發(fā)送到上位機存儲起來，實現(xiàn)對蓄電池單體內(nèi)阻、電壓、溫度數(shù)據(jù)的實時采集、存儲與處理。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 通信系統(tǒng)建立

該蓄電池檢測系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)集中器模塊，用于收集傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡化了數(shù)據(jù)匯總過程。傳感器模塊收到測試指令后，實時將當前測得的內(nèi)阻、電壓、溫度結(jié)果通過RS-232通訊上傳至數(shù)據(jù)集中器，傳感器使用RS-232通訊端口與數(shù)據(jù)集中器連接，并在通信電路中加入了光耦隔離電路，將傳感器模塊與數(shù)據(jù)集中器進行光電隔離，避免由于監(jiān)控系統(tǒng)中某個模塊故障而對其他元器件產(chǎn)生連鎖破壞，數(shù)據(jù)集中器將收集到的數(shù)據(jù)用RS-485上傳至上位機保存。通過設(shè)計數(shù)據(jù)集中模塊，可以支持多臺傳感器同時進行檢測，數(shù)據(jù)匯入到數(shù)據(jù)采集器中后，通過Modbus通信協(xié)議打包發(fā)送給上位機。

2.2 蓄電池異常預警機制

蓄電池的內(nèi)阻與電池端電壓以及剩余電量SOC都存在一定關(guān)系，文獻[7]中提出在蓄電池整個放電周期內(nèi)，蓄電池的容量與端電壓以及內(nèi)阻都具有良好的線性關(guān)系，蓄電池的剩余電量越小，內(nèi)阻越大，并且蓄電池的SOC可以通過蓄電池的端電壓估算[8-10]。根據(jù)上述三者關(guān)系，本文設(shè)計了一種蓄電池預警機制，系統(tǒng)通過軟件預警，不需要額外增加硬件，通過在傳感器端、數(shù)據(jù)集中器和上位機三處監(jiān)測異常電池數(shù)據(jù)，做到數(shù)據(jù)層層監(jiān)控。

通過對不同健康狀況的電池進行檢測試驗后，發(fā)現(xiàn)如下經(jīng)驗：在浮充狀態(tài)下，電池老化嚴重后，電池內(nèi)阻急劇增大，電壓略微下降，當兩者相乘超過正常值后，判定為異常電池。傳感器會將異常數(shù)據(jù)通過RS-232發(fā)送給數(shù)據(jù)集中器，數(shù)據(jù)集中器匯總后，將異常值打包給上位機，上位機通過建立異常數(shù)據(jù)檔案，通知維修人員第一時間進行故障排除。通過這個簡易方法能夠大概計算出蓄電池的健康狀況，及時排除電池組中的劣化電池。

3 關(guān)鍵電路設(shè)計

3.1 內(nèi)阻檢測硬件設(shè)計

在測量內(nèi)阻時，應采用四端電阻測量法，即用2條引線向電池提供激勵信號，用另外2條引線測量電池產(chǎn)生電壓降。通過這樣的方式，能夠避免引入導線內(nèi)阻造成測量誤差，并使電流輸出電路與測量電路相分離。

交流注入法需要產(chǎn)生交流激勵信號，本文設(shè)計的交流恒流源電路如圖3所示，該電路使用LM1875集成功率放大器，在±12 V電壓下，最高能輸出2 A電流，該電路由三部分組成：U10和U11構(gòu)成的電壓跟隨電路和U12構(gòu)成的電流輸出電路。

圖3 交流恒流源電路

由電壓跟隨電路特點可知，LM1875的正向輸入端電壓與正弦輸出幅值相等，根據(jù)虛短和虛斷的原理，可得

(4)

式(4)表明，輸出的電流大小僅與輸入的正弦信號幅值以及R39有關(guān)，由于單片機輸出正弦信號幅值是一定的，所以通過改變電阻R39大小，可以得到所需要大小的恒流源。

圖3中電路使用了OP07搭建了2個電壓跟隨電路，其中 U10起到隔離保護芯片的作用；同時，使用U11構(gòu)成的電壓跟隨電路，保障了輸出電流全部注入到電池，使輸出的恒流效果更好。

在實際測量中，發(fā)現(xiàn)蓄電池的反饋電壓信號為毫伏級微弱信號，如果直接對其測量，則待測信號會淹沒在噪聲里，因此首先需要對響應電壓信號進行濾波處理信號，由于注入的激勵信號為1 kHz交流信號，電池兩端的響應信號應為同頻率交流信號，蓄電池本身有12 V直流電壓信號，故設(shè)計如圖4所示的二階高通無源濾波電路。該電路去除電池中直流信號的同時隔絕了信號中的低頻信號。

圖4 二階高通無源濾波電路

濾波后的信號被送入如圖5所示的一級運放電路中，運放采用AD620儀表放大器，同時使用MCP41100設(shè)計有程控放大電路，通過單片機控制數(shù)字滑動變阻器的阻值，實現(xiàn)內(nèi)阻檢測量程的自動調(diào)節(jié)。

由于此時輸入電壓有負電壓成分，而單片機ADC只能采集0～3.3 V電壓，所以在圖6所示的二級放大整流電路中需要加入半波整流，使最終輸出信號轉(zhuǎn)為直流電壓信號。

圖5 一級放大電路

圖6 二級放大整流電路

3.2 端電壓的檢測

蓄電池的實際電池電壓可能高達15 V，而單片機的ADC處理范圍是0～3.3 V。因此，設(shè)計如圖7所示電壓電測電路，電路應用精密電阻分壓的原理，將電阻分壓后的電壓送入由OPA4171構(gòu)成的電壓跟隨電路，電壓通過運放后使用BAS70-04TL1對輸出端進行保護，使輸出電壓不大于3.3 V，預防由于電壓過大損壞單片機芯片。

圖7 電壓檢測電路

3.3 溫度檢測

蓄電池的溫度通過NTC熱敏電阻進行測量，溫度檢測電路如圖8所示，檢測原理和測量電壓類似，利用電阻分壓的方式，測量熱敏電阻兩端電壓Ut，根據(jù)電壓值Ut反推可得熱敏電阻實際阻值Rt。

圖8 溫度檢測電路

測量所用的熱敏電阻為負溫度系數(shù)的NTC熱敏電阻，其在25 ℃下阻值為10 kΩ。由于熱敏電阻的阻值與溫度不是線性關(guān)系，本文使用MATLAB中的polyfit函數(shù)進行曲線擬合，該函數(shù)基于最小二乘法曲線擬合原理，從圖9中MATLAB的擬合結(jié)果可以看出，一階與二階擬合出的曲線偏差較大，三階曲線與真實曲線在10～20 ℃之間偏差較大，而四階曲線偏差較小。由此可見，擬合階數(shù)越高效果越好，但是過高的擬合階數(shù)會使程序計算量會增大，加重單片機的負擔。因此，在程序中采用分段查值的方法，根據(jù)不同的溫度范圍，選用對應區(qū)間段較精確的擬合曲線公式進行溫度計算。

圖9 NTC熱敏電阻溫度阻值曲線

4 實驗分析

本系統(tǒng)使用單個傳感器測量單體電池參數(shù)，傳感器主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 傳感器技術(shù)指標

實驗1使用標定5 mΩ四腳引線分流電阻進行精度測試，實驗通過對標定5 mΩ電阻進行10次重復測試，測量結(jié)果如表2所示。

通過表2數(shù)據(jù)可以得出，本文設(shè)計的傳感器內(nèi)阻檢測相對誤差在1.4%以內(nèi)，精度滿足日常監(jiān)控的要求。

表2 傳感器對標定5 mΩ內(nèi)阻的檢測值

實驗2使用圣陽100AH鉛酸蓄電池進行測試，環(huán)境選取在25 ℃恒溫環(huán)境進行。在實驗前，為了降低電池放電極化對測試結(jié)果的影響，需要先將充滿的鉛酸蓄電池靜置2 h。實驗通過電子負載儀對電池進行0.1 C(10 A)的恒流放電，每放電1 h后將電池靜置20 min，然后對電池做一次內(nèi)阻和電壓檢測。實驗使用自制傳感器與深圳佳佳訊電子公司生產(chǎn)的JX-008高精度內(nèi)阻測試儀進行內(nèi)阻對比測試，JX-008內(nèi)阻檢測儀內(nèi)阻精度達到±0.1 mΩ，具有很高的參照價值；電壓使用優(yōu)利德四位半萬用表UT71e進行對比測試，檢測的結(jié)果如表3所示。

表3 內(nèi)阻-電壓測試結(jié)果

通過對表3中數(shù)據(jù)進行匯總，得出結(jié)果如圖10所示。

圖10 100 Ah蓄電池內(nèi)阻-電壓檢測對比結(jié)果

由圖10可知，隨著鉛酸電池放電深度的增加，蓄電池的內(nèi)阻呈增大趨勢，容量越低，內(nèi)阻增長速度越快。由圖10中電壓-時間曲線可以看出，電池端電壓在放電放電初期和末期變化較大，中間電壓下降較慢。傳感器通過收集蓄電池的端電壓，可以估算出此時的電池剩余電量值。

由表3對比數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的鉛酸蓄電池檢測儀可以實現(xiàn)對蓄電池內(nèi)阻的準確檢測，并且與高精度檢測儀相對誤差在0.89%以內(nèi)，能夠滿足鉛酸蓄電池定期檢測工作的需求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的蓄電池多參數(shù)檢測系統(tǒng)包括對電池內(nèi)阻、溫度、電壓的測量，并設(shè)計了數(shù)據(jù)集中模塊對收集到的數(shù)據(jù)進行打包發(fā)送，避免了使用單個傳感器測量時數(shù)據(jù)匯總困難的問題。在高精度檢測電池參數(shù)的同時加入了異常數(shù)據(jù)預警機制，做到異常數(shù)據(jù)層層監(jiān)控。為了驗證傳感器檢測的精度，實驗通過與高精度電池檢測儀進行對比，對內(nèi)阻進行了對比測試。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的蓄電池檢測傳感器具有較高的檢測精度，能完成日常監(jiān)測工作的需求，具有檢測精度高、性價比好的優(yōu)點。