鉛酸蓄電池健康診斷中的內(nèi)阻測量法應(yīng)用探究

李建鋒 付學(xué)棟

摘 要：蓄電池作為信號電源系統(tǒng)的重要組成部分，是電源系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠運(yùn)行和優(yōu)質(zhì)供電的最后保證。蓄電池在信號系統(tǒng)中的作用是荷電待用、平滑濾波、調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓。它既作為電源系統(tǒng)備用電源，又作為啟動(dòng)動(dòng)力電源，還可以作為交流配電設(shè)備操作電源。蓄電池健康檢測是迫切需要解決的關(guān)鍵問題。電池在線檢測有助于提高使用安全性。介紹蓄電池健康檢測的研究，分析電池內(nèi)阻與健康狀態(tài)有關(guān)，提出基于交流阻抗法的內(nèi)阻測量法，將低頻率交流信號注入蓄電池中，利用串聯(lián)電路歐姆定律測算電池電阻。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池;健康診斷;內(nèi)阻測量法

目前，地鐵信號電源系統(tǒng)蓄電池設(shè)備維護(hù)采用計(jì)劃修的模式，檢修周期分為日巡、月檢及年檢。在設(shè)備維護(hù)過程中，設(shè)備檢修質(zhì)量不僅依據(jù)檢修執(zhí)行情況，還依賴于專業(yè)維保人員的經(jīng)驗(yàn)、能力。隨著地鐵線網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，人員調(diào)動(dòng)頻繁，以及新進(jìn)員工的占比劇增，維保人員對設(shè)備前期狀況了解程度不夠深入，設(shè)備健康狀況在相鄰檢修之間空檔期處于失控狀態(tài)。因此，將健康管理的概念與技術(shù)應(yīng)用于電源系統(tǒng)的維護(hù)支持中，建立綜合維護(hù)管理為目標(biāo)的電源系統(tǒng)健康維護(hù)體系，具有重要的意義。VRLA采用陰極吸附技術(shù)，在不間斷電源系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。通過蓄電池管理可以保障電池容量均勻性，避免意外事故的發(fā)生。

1 蓄電池特性及內(nèi)阻測量分析

鉛酸電池具有原料易得等優(yōu)點(diǎn)，目前人們對其實(shí)施改良使其滿足蓄電池標(biāo)準(zhǔn)，其發(fā)展趨勢是提高循環(huán)使用壽命等。鉛酸蓄電池工作過程是正負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)，可以用化學(xué)方程式表示Pb+HSO4—PbSO4+H—+2e。阻抗分析是電化學(xué)研究常用方法，電池阻抗與測試頻率有關(guān)，電池內(nèi)阻指固定頻率下的阻抗值，測試儀包括用于堿性蓄電池內(nèi)阻測量與鉛酸蓄電池。根據(jù)鉛酸蓄電池阻抗譜圖陪頻率段激勵(lì)信號體出現(xiàn)特性，選用20 Hz正弦波為交流激勵(lì)信號。通常采用四端子連接方式實(shí)現(xiàn)交流阻抗法[2]。四端子連接方式成立條件是測量電流小，設(shè)計(jì)鉛酸蓄電池內(nèi)阻測量法是轉(zhuǎn)化為測量蓄電池電壓問題，可以避免對蓄電池電壓及相位差多個(gè)參數(shù)測量。假定激勵(lì)信號電壓f（t）=Usin（ωt+θ），電池兩端電壓表達(dá)式為fr（t）=Ursin（ωt+θr）。電池內(nèi)阻r與精密電阻兩端峰值電壓UR，Ur相關(guān)。提出內(nèi)阻測量法圍繞Ur，UR測量展開。

2 蓄電池內(nèi)阻測量硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)不同應(yīng)用場所，控制系統(tǒng)可分為現(xiàn)場可編程門列陣，PLC控制等。FPGA內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CBL，內(nèi)部連接線。設(shè)計(jì)ASIC電路可得到可用芯片，是ASCI電路設(shè)計(jì)周期最短的器件之一。FPGA采用高速CHMOS工藝，可與CMOS電平兼容，F(xiàn)PGA存放在片內(nèi)RAM中程序設(shè)置工作狀態(tài)，用戶可根據(jù)不同配置模式選擇編程方式。PLC是早期繼電器邏輯控制系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合產(chǎn)物，具有編程簡單，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

目前市場上有很多廠家生產(chǎn)單片機(jī)，選擇高性價(jià)比單片機(jī)需從價(jià)格，開發(fā)工具實(shí)用性等方面考慮。8051系列單片機(jī)得到廣泛應(yīng)用，PIC等系列采用RISC指令集單片機(jī)得到很好的用處。美國Cynal公司推出C8051Fxx系列單片機(jī)提高指令運(yùn)行速度，為單片機(jī)提供完善的時(shí)鐘系統(tǒng)。I/O端口可接收5 V邏輯電平輸入，選擇端口輸出方式在外接加上拉電阻到5 V驅(qū)動(dòng)邏輯器件。研究選用C8051F040單片機(jī)為鉛酸蓄電池內(nèi)阻測量控制系統(tǒng)芯片。根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求構(gòu)建單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，硬件電路包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)擴(kuò)展與配置，設(shè)計(jì)合適的接口電路，系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)要選擇典型電路，減少開發(fā)成本。按功能模塊可對單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。

測量系統(tǒng)包括內(nèi)阻檢測模塊，RS232通信摸摸看，JATG接口等設(shè)計(jì)。電源是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)采用220 V市供電源，電壓模塊包括多個(gè)穩(wěn)壓電路，系統(tǒng)需+15，+5，+3.3 V電壓滿足模塊工作[3]。電壓提供要避免外界干擾引起電壓波動(dòng)，造成測量結(jié)果不確定性。在電路板電壓輸入引腳處加穩(wěn)壓極性電容100 uF，系統(tǒng)使用AMS1117-3.3為穩(wěn)壓轉(zhuǎn)換芯片。AMS1117系列低壓差穩(wěn)器輸出電壓1.5 V，2.85 V，輸出電流1 A，含靜態(tài)電流降低電路，過熱保護(hù)等功能。

內(nèi)阻檢測模塊是系統(tǒng)核心部分，激勵(lì)信號發(fā)生單元設(shè)計(jì)精度較高，考慮C8051F040單片機(jī)內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器，設(shè)計(jì)中未采用其他AD芯片。激勵(lì)源產(chǎn)生信號純凈度對蓄電池內(nèi)阻測量非常重要，如何尋找替代信號發(fā)生器裝置是設(shè)計(jì)激勵(lì)信號發(fā)生單元考慮因素，選用高精度波形發(fā)生器ICL8038，通過設(shè)置較少外部元器件，產(chǎn)生0.01 Hz的低頻正弦波-300 kHz高精度正弦波。采用先進(jìn)芯片制造工藝，溫度漂移最大不超過250 ppm/℃。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

目前單片機(jī)編程語言中C51使用廣泛，相比匯編語言在功能結(jié)構(gòu)等方面具有優(yōu)勢，使用C51可縮短開發(fā)周期，C語言是高級程序設(shè)計(jì)語言，采用C51語言設(shè)計(jì)單片機(jī)系統(tǒng)程序，要采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，較大程序可按功能分為不同模塊，指定相應(yīng)出入口參數(shù)，不會(huì)引起程序管理混亂，程序設(shè)計(jì)中利用C51語言預(yù)處理命令，常用的TRUE等常數(shù)可采用宏定義#define，采用文件包含命令#include加入程序，修改包含文件參量，有利于文件維護(hù)。

Keil uVsion3是目前流行的51單片機(jī)開發(fā)軟件，成為C8051F040控制器首選開發(fā)軟件，提供集成開發(fā)環(huán)境，uVision，開發(fā)應(yīng)用軟件中，編輯匯編等各階段集成在環(huán)境中。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)清晰，各功能程序模塊化，程序運(yùn)行實(shí)現(xiàn)標(biāo)志化管理。主要程序模塊包括系統(tǒng)初始化程序，鍵盤處理子程序等[4]。程序采用RS232串口通訊，鍵盤按鍵方式可啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，把電壓Ur，蓄電池編號顯示在TM12864K液晶顯示屏，通過RS232串口通訊與上位機(jī)進(jìn)行信息交換。通過CAN通信方式與其他主控制器交換信息。系統(tǒng)初始化程序包括時(shí)鐘初始化子程序，ADC0初始化子程序，液晶屏初始化子程序等。

研究重點(diǎn)是信號處理電路，需要不斷通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證功能模塊精度，內(nèi)阻測量精度無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)采用DLT-B8500鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)對比驗(yàn)證。示波器采用TDS2000，激勵(lì)單元產(chǎn)生20 Hz正弦波信號干擾少，滿足系統(tǒng)所需激勵(lì)信號。電池兩端響應(yīng)信號噪聲干擾較大，經(jīng)放大處理后響應(yīng)信號毛刺較小[5]。將鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)與測量方法對比，對VRLA電池進(jìn)行24次獨(dú)立測量，單次測量結(jié)果在10 mΩ內(nèi)波動(dòng)，表明單次結(jié)果非恒定值。實(shí)驗(yàn)測量值為連續(xù)10次測量均值。電池為2 V 3 000 Ah的VRLA電池，測量方法采用正弦交流信號幅值為100 mV，精密參考取電阻R為0.5 Ω。給出方法與DLF-B8500測量結(jié)果吻合。

4 結(jié)語

隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，軌道交通產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。本文針對地鐵鉛酸蓄電池健康診斷內(nèi)阻測量進(jìn)行研究，結(jié)合蓄電池阻抗譜分析結(jié)果，提出基于交流阻抗法內(nèi)阻測量法。設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法測試平臺，實(shí)現(xiàn)方法硬軟件結(jié)構(gòu)，結(jié)合使用要求設(shè)計(jì)軟件流程圖，增加系統(tǒng)可擴(kuò)展性。與鉛酸蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)對比實(shí)驗(yàn)，反映提出內(nèi)阻測量方法具準(zhǔn)確性。城軌交通是未來交通發(fā)展方向，目前廣泛應(yīng)用的是鉛酸蓄電池，其研究涉及范圍廣，需要進(jìn)行深入研究不斷完善，提高系統(tǒng)整體品質(zhì)。

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