基于直接采樣相移法的蓄電池內(nèi)阻測量

倪洪權(quán)，劉險峰，孫文玉，范紅亮

(中國人民解放軍65043部隊 長春 130022)

通信系統(tǒng)中的備用蓄電池組是UPS電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)在正常供電中斷時穩(wěn)定可靠運行的最后保障。如何科學(xué)有效地對蓄電池進行維護和管理是保障蓄電池系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵。通過采用在線式阻抗監(jiān)控測試技術(shù)手段，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，能有效地指導(dǎo)開展維護運行工作，保證設(shè)備安全穩(wěn)定運行［4－5］。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)上升，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的認可［1］。因而，現(xiàn)代通信電源監(jiān)控系統(tǒng)中，對蓄電池內(nèi)阻檢測提出了更高的要求，需要實時在線檢測。蓄電池內(nèi)阻的在線檢測成為通信電源監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)，為我們提出了新課題。

1 交流法測量蓄電池內(nèi)阻的基本原理

交流法在線測量蓄電池的內(nèi)阻原理［2－3］，如圖1所示，其中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)公式(1)和公式(2)計算出電池的內(nèi)阻。

交流法由于無需放電，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，避免了對設(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［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(fù)雜，成本高，抗干擾能力較差。

圖3 Us和Uo(i)相位一檢測電路

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(nèi)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，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(shè)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(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

則所求相移為

3 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。

如圖6所示，C1C3為測量響應(yīng)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(dǎo)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(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)。

圖6 四端法測量示意圖

4 結(jié)論

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(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，為通信電源集中監(jiān)控提供了技術(shù)支撐。

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