淺談軌道車輛蓄電池常用的測量方法

侯航 毛燕春 孫麗偉

摘要：蓄電池供電單元是高速動車組車輛供電系統(tǒng)中一個重要的組成部分，通過對蓄電池采用有效的測量手段及時準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的隱患，并及時更換蓄電池，內(nèi)阻作為一個真實存在的物理量，與蓄電池性能存在比端電壓更為緊密的相關(guān)性，大量的實驗數(shù)據(jù)證明：在電池壽命期間內(nèi)，其實際容量的單調(diào)下降，總是伴隨著內(nèi)阻的單調(diào)升高，在同一條件下測量比較內(nèi)阻的變化可以對電池性能提供預(yù)警信息，這一結(jié)論也得到了資深專家認(rèn)可，因而蓄電池內(nèi)阻的檢測成為保證高速動車組蓄電池系統(tǒng)健康安全的關(guān)鍵方法。

關(guān)鍵詞：動車組;蓄電池;內(nèi)阻;檢測

蓄電池內(nèi)阻常見的測試方法有三種：

一、直流放電法

直流放電法是在電池組兩端接入放電負(fù)載，根據(jù)在不同電流I1、I2的電壓變U1U2來計算內(nèi)阻值，由E-I1×r=U1、E-I2×r=U2得：r=（U1-U2）/（I2-I1），由于內(nèi)阻值很小（圖一），在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準(zhǔn)確的測量帶來了困難，由于放電過程電壓的變化，需要要選擇穩(wěn)定的區(qū)域計算電壓變化幅值。實際測量直流放電方法所得的數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差，準(zhǔn)確度很難達(dá)到10%以上。此測量方法需要將電池組放在專用的測試臺位進(jìn)行測量并且對測試電池組有著不可逆的損傷，影響蓄電池的容量及壽命。故實際生產(chǎn)過程中多不采用此方法。

二、開路電壓法

開路電壓法是通過測試蓄電池端電壓來估計蓄電池內(nèi)阻，此種方法測量的精度很差，甚至得出錯我的結(jié)論。因為即使一個容量已經(jīng)變得很小的的蓄電池，再浮充狀態(tài)下其端電壓可能表現(xiàn)得很正常，故此種方法在現(xiàn)車試驗過程中只作為電池狀態(tài)的初步參考意義，在蓄電池異常問題處理過程中開路電壓法測量的數(shù)據(jù)并不能作為可靠數(shù)據(jù)來判斷蓄電池內(nèi)阻值。

三、交流注入法

交流注入法測量蓄電池內(nèi)阻的原理如圖1 所示

其中RS未電流采樣電阻，C為隔直流電容。對電池組注入一個低頻交流電流信號，測出單體電池兩端的低頻交流電壓U0（i）和流過的電流Is以及兩者相位差如圖2 所示

Z（i）=U0/Is（1）

R（I）=z（（2）

根據(jù)公式1）和公式（2）計算出電池的內(nèi)阻。交流法無需放電，不用處于靜態(tài)或脫機，可以實現(xiàn)完全的在線監(jiān)測管理，避免對設(shè)備運行安全性的影響，同時由于施加的低頻信號頻率很低，施加交流電流也很小，故不會對直流系統(tǒng)的性能造成不利影響。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，可在一個信號周期內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣，根據(jù)公式（3）即可求出其有效值，因此測量電池內(nèi)阻的關(guān)鍵便是相位差φ 的測量

為了克服上述檢測方法的缺點，有專家就提出了直接利用采樣點計算相移的新方法。根據(jù)交流采樣算法，計算Us、Uo（i）有效值時需要對信號進(jìn)行同步采樣。在t0、t1，…，tn時刻分別對周期為T的信號x（t）進(jìn)行采樣，如果滿足下列兩個條件：tn-t0=T（4）ti-ti-1=TS（i=1，2，…，n）??? （5）則稱為同步采樣，其中Ts為采樣間隔，采樣頻率fs=1/Ts。第一個條件要求采樣頻率必須為信號頻率的整數(shù)倍，第二個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，取Ts=T/n為采樣間隔，利用定時器定時，每隔Ts時間觸發(fā)中斷進(jìn)行采樣即可。對信號Us和Uo（i）進(jìn)行同步采樣，采樣間隔為Ts，Ts=T/n，其中T為信號周期，n為采樣點數(shù)，刻依次為t0、t0+Ts、…、t0+（n-1）Ts，當(dāng)采樣完Us的第（n-1）個點后，將模擬開關(guān)切換到下一通道，即單體電池電壓Uo（1），對Uo（1）繼續(xù)進(jìn)行同步采樣，此時采樣起始時刻為t0+（n-1）Ts+Ts，即t0+T，其采樣時刻依次為t0+T、t0+T+Ts、…、t0+T+（n-1）Ts，當(dāng)采樣完Uo（1）的第（n-1）個點后，將模擬開關(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，由正弦波信號的周期性可知，這種采樣方法保證了各路信號起始采樣時刻的同步。

如果有Us（k1）·Us（k1+1）<0，則說明在Us（k1）和Us（k1+ 1）之間存在一個過零點，設(shè)Δk1為過零點與采樣點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，則說明在Uo（i）（k2）和Uo（i）（k2+ 1）之間存在一個過零點，設(shè)Δk2為過零點與采樣點Uo（i）（k2）的距離，則有：

由于采用交流注入法的蓄電池測量方法測試表筆選擇四端測量法，四端法的基本原理由于蓄電池內(nèi)阻一般為mΩ級（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對測量引入誤差，四端法測量很好地解決了這個問題。

在交流源作用下，其中一對測試線中流過電流，并使電池兩端產(chǎn)生響應(yīng)，而測量響應(yīng)的電路由于輸入阻抗極大，這一對測試線中不流過電流，因而保證了測試電路測到的是電池兩端的響應(yīng)。由于蓄電池內(nèi)阻很小，且容量越大，其內(nèi)阻值越小，給測量工作帶來很多不便，因而蓄電池內(nèi)阻測量是所有蓄電池檢測指標(biāo)中最難以實現(xiàn)的。直接采樣相移法測量蓄電池內(nèi)阻的方法，克服了交流測試法的缺陷，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、成本造價低、測試誤差小等優(yōu)點，滿足蓄電池內(nèi)阻在線檢測的要求，為軌道車輛蓄電池維護(hù)、故障排除、車輛調(diào)試提供了技術(shù)支撐。

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