基于直接采樣相移法的蓄電池內阻測量

劉險峰，王裕林，楊海峰，李曉梅

（中國人民解放軍65043部隊，吉林 長春130022）

0 引 言

在UPS電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)供電中斷時，備用蓄電池組是通信系統(tǒng)能穩(wěn)定可靠運行的最后保障。如何科學有效地對蓄電池進行維護管理是保障蓄電池性能穩(wěn)定的關鍵。通過采用在線式阻抗監(jiān)測技術，及時準確地發(fā)現(xiàn)蓄電池存在的隱患，并及時更換蓄電池，能有力保證設備安全穩(wěn)定運行［1，2］。內阻作為一個真實存在的物理量，與蓄電池性能有更為緊密的相關性，大量實驗數(shù)據(jù)證明：在電池壽命期間內，其實際容量的單調下降，總是伴隨著內阻的單調上升，在同一條件下測量比較內阻的變化可以對電池性能提供預警信息，這一結論也得到了資深專家的認可［3］。因而，現(xiàn)代通信電源監(jiān)控系統(tǒng)對蓄電池內阻檢測提出了更高的要求，需要實時在線檢測，這為我們提出了新課題。

1 交流法測量蓄電池內阻的基本原理

圖1所示為交流法在線測量蓄電池內阻的原理［4，5］，圖中 Rs為電流采樣電阻，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Uo（i）和流過的電流Is以及兩者的相位差，如圖2所示。根據(jù)

計算出電池的內阻。

圖1 交流法內阻測量原理

圖2 Is和Uo之間的相位關系

交流法由于無需放電，蓄電池不用處于靜態(tài)或脫機，可以實現(xiàn)完全的在線監(jiān)測管理，避免了對設備運行安全性的影響。同時由于施加的低頻信號頻率很低，施加的交流電流也很小，故不會對直流系統(tǒng)的性能造成不利影響［6］。只要求出Uo（i）、Is及兩者的相位差φ，由式（2）便可得出電池的內阻。Uo（i）、Is為周期固定的正弦波信號，可在一個信號周期內進行等間隔采樣，根據(jù)式（3）即可求出其有效值。因此測量電池內阻的關鍵便是相位差φ的測量［7，8］。

通常測量相位差的電路如圖3所示，Us、Uo（i）正弦波信號先經(jīng)過電壓比較器LM311過零比較變?yōu)榉讲ㄐ盘枺缓筇崛〕銎湎嘁痞眨鼽c的波形如圖4所示，用單片機的輸入捕捉功能測出波形③的高電平時間即可得到相移φ。

由于每節(jié)單體電池都需圖3所示的一套電路，因此該檢測方法硬件復雜、成本高、抗干擾能力較差。

圖3 Us和Uo（i）相位移檢測電路

圖4 檢測電路各點的信號波形

2 直接采樣相移法測量蓄電池內阻的基本原理

為了克服上述檢測方法的缺點，本文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行同步采樣。在t0、t1，…，tn時刻分別對周期為T的信號x（t）進行采樣，如果滿足下列兩個條件：

則稱為同步采樣，式中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)中斷進行采樣即可。

對信號Us和Uo（i）進行同步采樣，采樣間隔為Ts，Ts＝T/n，其中T 為信號周期，n為采樣點數(shù)，硬件框圖如圖5所示。

圖5 采樣電路框圖

設信號Us的采樣起始時刻為t0，則其采樣時刻依次為t0、t0＋Ts、…、t0＋ （n－1）Ts，當采樣完Us的第（n－1）個點后，將模擬開關切換到下一通道，即單體電池電壓Uo（1），對Uo（1）繼續(xù)進行同步采樣，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，當采樣完Uo（1）的第（n－1）個點后，將模擬開關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（1）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Δk2為過零點與采樣點Uo（i）（k2）的距離，則有

則所求相移為

3 四端法的基本原理

由于蓄電池內阻一般為mΩ級（例如通信用200 Ah閥控鉛酸蓄電池的內阻只有1 mΩ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。

如圖6所示，C1、C3為測量響應的電路與電池之間的隔直電容，C2為交流源與電池之間的耦合電容，R1、R2、R3、R4為測試導線的電阻。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，而測量響應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。

圖6 四端法測量示意圖

4 結 論

由于蓄電池內阻很小，且容量越大，其內阻值越小，給測量工作帶來很多不便，因而蓄電池內阻測量是所有蓄電池檢測指標中最難以實現(xiàn)的。本文提出的直接采樣相移法測量蓄電池內阻的方法，克服了交流測試法的缺陷，具有結構簡單、易于實現(xiàn)、成本造價低、測試誤差小等優(yōu)點，滿足蓄電池內阻在線檢測的要求，為通信電源集中監(jiān)控提供了技術支撐。

［1］ 陳 杰，徐劍虹.閥控密封鉛酸蓄電池失效機理及檢測［J］.電源技術，1999，23（6）：332－334.

［2］ 美國Albe公司.蓄電池維護全面解決方案［Z］.2001.

［3］ 劉苗青，谷文奎.基于在線阻抗測試技術的蓄電池維護與管理［J］.電信工程技術與標準化，2009，4：46－50.

［4］ 密封閥控鉛酸蓄電池內阻測量技術及安全預警管理解決方案［J］.中國新技術新產(chǎn)品，2009，18：26－29.

［5］ 王 強，謝永成.鉛酸蓄電池內阻在線測量方法的研究［J］.通信電源技術，2010，27（5）：59－61.

［6］ 李立偉，鄒積巖.基于交流測量法的蓄電池內阻測量裝置的研究［J］.計算技術，2002，2（12）：15－17.

［7］ 桂長清，柳瑞華.密封鉛蓄電池電導與容量的關系［J］.電池，2000，（2）：74－76.

［8］ 殷玉恒，劉躍軍.鋰離子電池內阻檢測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.應用能源技術，2007，110（2）：44－46.