蓄電池檢測方法的研究與改進(jìn)措施探討

漸彬彬

（國家鋰電池產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（山東），山東 棗莊 277800）

目前，蓄電池檢測和監(jiān)控始終是研究工作熱點(diǎn)與難點(diǎn)，通過檢測可完成均/浮充方式的轉(zhuǎn)換、測試電池體溫度、在線檢測剩余電量、檢出落后電池、測試單體端電壓測試等任務(wù)。由此可見，對蓄電池檢測方法的深入研究與分析十分有必要。

1 蓄電池組成部件闡釋

（1）極板（核心部件）被稱為蓄電池“心臟”，主要包括正極板與負(fù)極板兩部分。（2）隔板，即電解液載體，可對電解液進(jìn)行吸收，可實(shí)現(xiàn)離子擴(kuò)散目的。尤其是密封免維護(hù)的蓄電池，隔板能夠更好地創(chuàng)建氧循環(huán)，使水損失減少。通過地超細(xì)玻璃纖維的使用，即可達(dá)到隔板式蓄電池免維護(hù)目的。（3）電解液，組成包括純水和硫酸，將部分添加劑混合后配入其中。（4）安全閥，為組成蓄電池的重要部件，在蓄電池的頂部。安全閥的作用主要體現(xiàn)在安全方面、密封方面、防爆方面，同時(shí)，還可保證其內(nèi)壓正常。

2 在線檢測蓄電池剩余容量

2.1 預(yù)測剩余電量常用方法

（1）開路電壓方法。蓄電池的電解液密度會影響其荷電的程度，通過N.RST程的應(yīng)用，可準(zhǔn)確描述電解液與電池電動勢存在的聯(lián)系。因而只要測量其開路電壓，即可對其剩余電量進(jìn)行推算。

（2）電導(dǎo)測量，在蓄電池的兩端增加交流電壓信號，在明確振幅和頻率的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確測量同電壓相位交流電數(shù)值。而電池電導(dǎo)則需要將交流電分量與交流電壓進(jìn)行比值計(jì)算獲取。電導(dǎo)，就是以頻率為主要對象的函數(shù)關(guān)系，在測試頻率不同的情況下，電導(dǎo)數(shù)值也有所差異。如果頻率偏低，那么電池的電導(dǎo)與容量的相關(guān)性則較為良好，測量所得頻率要控制在20～30Hz范圍內(nèi)。如果電池的容量較大，則頻率需比10Hz低。

（3）密度蓄電池的剩余電量與內(nèi)部電解液密度之間的關(guān)聯(lián)緊密，而電解液的密度受氧化鉛、硫酸鉛與鉛三方面的直接影響。為此，在對電解液密度值測量后，就能夠間接對剩余電量進(jìn)行推算。

（4）定時(shí)放電法。將負(fù)載施加在蓄電池中，并對單位時(shí)間電池端電壓的變化率進(jìn)行計(jì)算，以此為依據(jù)對剩余電量進(jìn)行推算。如果變化量偏小，即表示電池的剩余電量較大，相反則較小。

（5）溫度測量法。在電化學(xué)反應(yīng)吸熱與放熱以外，電池有內(nèi)阻，因而在充放電時(shí)，在電流經(jīng)過的情況下其內(nèi)部會產(chǎn)生熱量，致使電池溫度改變。若電流條件相同而電池內(nèi)阻不同，其內(nèi)部熱量也有所差異，因而電池溫度也有所不同。

（6）內(nèi)阻法。根據(jù)既有研究結(jié)果可知，電池內(nèi)阻和荷電程度關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)。且國外公司以200～1000Ah容量的電池為研究對象，在電池組電壓在18～360V的狀態(tài)下開展了一系列的VRLA電池。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)阻會直接影響電池的容量，且相關(guān)系數(shù)為88%。為此，測量電池內(nèi)阻后也能夠?qū)κＳ嚯娏窟M(jìn)行相對準(zhǔn)確預(yù)測。一般來講，蓄電池在處于完全充電與放電的狀態(tài)下，內(nèi)阻變化率應(yīng)當(dāng)比電池端電壓的變化率更高，因而在測量蓄電池的內(nèi)阻后，即可對剩余電量進(jìn)行預(yù)測，其精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于開顱電壓方法。

2.2 內(nèi)阻法對剩余電量的預(yù)測

在預(yù)測蓄電池剩余電量的時(shí)候?qū)?nèi)阻法進(jìn)行運(yùn)用，步驟體現(xiàn)在：要求蓄電池處于滿電狀態(tài)，研究中選擇使用的是2V蓄電池，其電壓是2.35V，浮充電流是10mA。在放電率處于0.1C的情況下放電，在此期間要仔細(xì)且準(zhǔn)確地記錄內(nèi)阻和電量情況。在完成放電后，蓄電池的電壓降低至1.75V，此時(shí)可以獲得放電曲線，進(jìn)而掌握蓄電池剩余電量與蓄電池內(nèi)阻之間存在的聯(lián)系。將EPROM存入曲線，并測試型號和規(guī)格相同的蓄電池。將在線測量的蓄電池內(nèi)阻數(shù)值當(dāng)作參考，在對表格數(shù)據(jù)查對后即可對蓄電池的剩余電量進(jìn)行計(jì)算。因而，測量蓄電池內(nèi)阻的過程中，可將此方法作為首選。而測量原理為：在蓄電池兩端施加恒定交流音頻電流源，并檢測電池端的電壓、IS和電壓，以此了解三者關(guān)系，即和R=Zcosφ，也就是所需測量的電池內(nèi)阻值。以圖一為例，300Hz信號發(fā)生器的組成包括低通濾波電路和14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器CD4060。而恒流功放選擇使用可音頻功率放大器，其功率達(dá)到4W。

圖1 內(nèi)阻法預(yù)測剩余電量路徑

3 測量蓄電池單體電壓

根據(jù)《通信電源與空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)要求》內(nèi)容可知，蓄電池檢測裝置應(yīng)具備測量各個(gè)電池單體電壓的功能。在串聯(lián)蓄電池后即可為通信設(shè)備供電，且各蓄電池對地電位有所差異，最高共模電壓一般在60V，若選擇使用普通A/D轉(zhuǎn)換器與多路模擬開關(guān)很難承受。對蓄電池單體電壓測試的基本原理（圖2）為：繼電器閉合至A區(qū)，并完成電解電容的充電。在要對蓄電池電壓進(jìn)行測量的時(shí)候，即可閉合繼電器到B側(cè)，使得電解電容和蓄電池隔離。由于電解電容使電池始終具備電壓信號，因而通過測量電解電容電壓就能夠?qū)π铍姵仉妷盒纬梢欢ㄕ莆?。而且，此測量手段所使用的器件并不昂貴，而且原理十分簡單，實(shí)際造價(jià)也不高。

圖2 傳統(tǒng)單體電壓測試方法

針對以上情況，可借助兩片高差模增益放大器完成硬件直接相減電路的設(shè)計(jì)，其中，選用ICL7650作為運(yùn)算放大器，使得同相和反相輸入端的電位相相同，等同地電位，能夠使運(yùn)算放大器電阻處于平衡狀態(tài)。

4 測量蓄電池單體溫度

VRLA蓄電池標(biāo)志性參數(shù)就是其體溫度，會直接影響其剩余容量和工作壽命。在測量蓄電池體溫度的時(shí)候，此研究中選擇使用了數(shù)字式溫度傳感器，其溫度測量范圍寬泛且讀數(shù)穩(wěn)定，能夠和單片機(jī)連接，而且測溫的分辨率在0.5℃。若在軟件調(diào)整后，可使得分辨率提高0.1℃，因而適用于測量蓄電池單體電池的溫度，且效果突出。

4.1 測溫基本原理

為確保溫度測量精準(zhǔn)度的不斷提高，不僅要了解數(shù)字式溫度傳感器所能夠直接讀取溫度數(shù)值，與此同時(shí)，還應(yīng)了解此溫度下計(jì)數(shù)器數(shù)值與每增加1℃的數(shù)值。非線性累加器電路可有效補(bǔ)償溫度振蕩器非線性情況，使得溫度測量的精準(zhǔn)度不斷提高。通過對單片機(jī)的應(yīng)用對數(shù)字式溫度傳感器進(jìn)行控制，并且將修正溫度的讀取數(shù)值直接轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。隨后對非線性累加器內(nèi)的數(shù)值進(jìn)行讀取，將其當(dāng)作此溫度條件下各攝氏度計(jì)數(shù)數(shù)值。在確定上述參數(shù)后，即可借助相應(yīng)公式計(jì)算出精度是0.1℃的實(shí)際溫度值。

4.2 基于軟件發(fā)的0.1℃測溫分辨率

結(jié)合上述分析，經(jīng)軟件編程后即可通過單片機(jī)對數(shù)字式溫度傳感器進(jìn)行控制，以達(dá)到0.1℃的測溫分辨率，而實(shí)現(xiàn)的步驟為：（1）將“寫配置”指令發(fā)送后實(shí)現(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器的初始化，并設(shè)置成單次溫度轉(zhuǎn)換形式和處理器控制狀態(tài)，具體的指令是0CH和03H。（2）將“開始轉(zhuǎn)化”指令發(fā)送出去。（3）將“讀配置”指令發(fā)送后獲取狀態(tài)寄存器數(shù)值。在重復(fù)此指令后，確保DONE是“1”。（4）將“讀取溫度”指令發(fā)送出去，以有效轉(zhuǎn)換溫度寄存器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整數(shù)計(jì)算目的。（5）將“讀計(jì)數(shù)器”指令發(fā)送出去，并借助計(jì)數(shù)器讀取9比特值。（6）在計(jì)數(shù)器中讀入非線性累加器內(nèi)的數(shù)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)外部單元和數(shù)字式溫度傳感器的無數(shù)據(jù)交換目標(biāo)。（7）對“讀計(jì)數(shù)器”指令進(jìn)行重新發(fā)送，并對此時(shí)的計(jì)數(shù)器數(shù)值進(jìn)行讀取。（8）根據(jù)公式對溫度數(shù)值進(jìn)行精確計(jì)算。

5 結(jié)語

綜上所述，以上研究中，以蓄電池為主要研究對象，重點(diǎn)對其檢測方法展開了相關(guān)性研究，通過對在線檢測其剩余容量、測量其單體電壓和測量蓄電池單體溫度的深入探究，實(shí)現(xiàn)了對蓄電池的系統(tǒng)化檢測，以確保其性能得以充分發(fā)揮，凸顯其自身價(jià)值與功能。