一種應用于UPS蓄電池的剩余容量測量方法

緱文博，趙 宇

（1.天水師范學院電子信息與電氣工程學院，甘肅天水741000）

一種應用于UPS蓄電池的剩余容量測量方法

緱文博，趙 宇

（1.天水師范學院電子信息與電氣工程學院，甘肅天水741000）

針對UPS蓄電池剩余電量測量不準確的問題，提出了一種以鎖相放大為主的交流注入法測量蓄電池交流內阻，通過阻值計算蓄電池剩余容量的方法。以此為基礎，設計出了以AD630和AD7705為核心的測量電路。實驗表明，這種方法準確度高，便于實現UPS蓄電池剩余容量的測量。

剩余容量；鎖相放大；交流注入法；交流內阻

1 引言

蓄電池的容量是表征其儲存電能能力的物理量，也是衡量蓄電池工作狀態和壽命的重要指標。其容量的定義方法是將蓄電池進行充電，測量電極兩端電壓保持不變時（浮充狀態時），對額定負載以恒定電流值放電，放至蓄電池兩端電壓為終止電壓時，所放出的能量值就是蓄電池的容量值。常用字母C表示，單位為Ah。

對UPS閥控鉛酸蓄電池剩余容量的計算一直是蓄電池研究領域的一個重要研究課題。蓄電池充放電是一個復雜多變的化學反應過程，而且容易受到外界因素的影響，比如溫度、放電速度、負載功率等，通常情況下，只能在UPS對負載放電工作時，實時對剩余電量進行計算。因此，準確測量鉛酸蓄電池的剩余容量，是決定UPS系統性能優良與否的重要指標。

2 常用蓄電池剩余容量計算方法比較

目前，常用的測量剩余容量的方法主要有以下幾種。

（1）放電測量法：通過對固定值的電阻進行恒流放電，測量電池容量，該方法耗費時間，浪費電能。測量時UPS必須脫離工作電路，不符合UPS在線測量的實際要求。

（2）安時積分法：用積分法進行測量，必須長時間采集電流參數。測量過程中電路受到的干擾誤差會累計增加，造成剩余容量計算不準確，故必須對蓄電池進行多次放電實驗以確定放電效率公式。此方法參數計算需要使用高性能處理器來完成，成本高，不易得出蓄電池的初始荷電狀態數據。

（3）開路電壓法：測量蓄電池內阻時需要長時間靜置，有利于提高測量精確度。精確測量程度通常會受到靜置時間長短的影響。實際測量時可用改進的OCV法進行優化。

（4）模糊控制與神經網絡法：模糊控制法經驗性強，建立模型比較方便，但控制器設計方法多樣，容易引起混亂。神經網絡法需要采集大量的數據建立理論模型，與蓄電池特性結合難度較大，不易用硬件電路實現。

3 改進的交流注入法測量蓄電池內阻

研究發現鉛酸蓄電池的內阻值和容量有著密切的關系，應用鎖相放大電路改進的交流注入法進行測量，可以實現UPS工作時的在線對放電剩余容量進行預測的功能，在實際電路中對蓄電池的正常工作狀態影響也小。傳統的交流注入法由于測量微弱信號時容易受到噪聲干擾，因此，在鎖相放大環節采用AD630對傳統方法進行了改進，無需進行交流采樣和求解相位差。

（1）鉛酸蓄電池的等效模型

閥控鉛酸蓄電池的等效模型如圖1所示，圖中 R1、R3為正負極極化電阻，電容 C1、C2為正負極極化電容，L為引線的電感，R2為蓄電池歐姆電阻。蓄電池歐姆電阻R2表征了蓄電池的荷電程度，為了簡化測量，通常從等效阻抗中僅分離出純電阻R（R 由 R1、R2、R3構成），R 和 R2之間呈線性關系，故可用R間接表征蓄電池荷電程度。

圖1 鉛酸蓄電池交流等效模型

（2）鉛酸蓄電池內阻測量基本原理

鎖相放大器是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。它利用與被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和那些與參考信號同頻（或者倍頻）、同相的噪聲分量有響應。因此，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是微弱信號檢測的一種有效方法。UPS系統對蓄電池容量的測量應用鎖相放大法，能夠有效地抑制干擾和噪聲，提高測量的準確性；測量電路中使用平衡調制解調芯片AD630設計的鎖相放大器，對傳統方法進行了改進，簡化了繁瑣的測量過程，易于硬件電路的實現，提高了測量數據準確性。

（3）測量蓄電池內阻的計算方法

由于UPS蓄電池容量較大，內阻很小，一般是小于幾個毫歐。因此，為了避免測量線路自身內阻的干擾，通常用四線法進行測量，測量原理圖如圖2所示。

圖2中，相敏檢波器是構成鎖相放大器的核心，通常由開關元件組成的乘法器，完成待測信號和參考信號的相乘功能。進行信號乘法運算時，設輸入信號為US，參考信號為Ur，輸出信號為UO，則有下面的關系式：

其中，ES和Er分別表示兩信號幅值；f1和f2表示頻率；β1和 β2表示初相角。

圖2 改進交流注入法測量內阻原理框圖

前者表示輸入信號和參考信號的差頻分量，后者為和頻分量。當US和Ur同步時，差頻分量變成直流電壓分量。產生的倍頻分量由設計電路中的低通濾波器濾除，則有：

電路中采用方波信號，頻率50Hz做為參考信號，相敏檢波器可以工作在開關狀態。令Er＝1，將方波參考信號展開為傅立葉級數：

其中，n為諧波次數；f2為50Hz。如果輸入信號為US＝ESsin（2πf1t＋β1）時，輸出為：

兩信號的頻率相同，因此，直流分量為：

其中，θ為ES和Er的相位差。

由于電池內阻上存在容性分量，輸入信號通過蓄電池后有相位差θ，設被測蓄電池的內阻為RZ，純電阻為R，則有交流源輸出信號為I＝Asinωt，取樣電阻 Rf兩端的壓降為 Uf＝IRf＝AsinωtRf，設放大器的增益為k，電池上產生的交流電壓信號為經過AD630調制處理后，將實際方波參考信號展成傅立葉級數為：

則AD630的輸出為：

設放電電路增益為C，輸出信號經過濾波和放大之后得：

在輸入參考量和待測信號不變的測試狀態下，用1Ω的恒值電阻代替R，重復上述測量過程，得到：

由公式1和公式2可得：

通過AD7705可以計算出輸出直流壓值，而基準電阻R1的值已知，因此可以計算出蓄電池的內阻值R。

4 蓄電池剩余容量測量電路設計

蓄電池剩余容量主要是根據內阻值來進行計算的。剩余容量測量電路中AD630構成鎖相放大電路，OP07及外圍器件組成低通濾波電路。系統要求交流信號發生器和濾波電路的精度高，單片機同時控制兩路AD7705，對蓄電池的電壓和電流進行采集，有效地減小了測量誤差。設計采用ICL8038芯片，通過調節外圍電路參數，能夠產生0.001kHz－300kHz的脈沖波。數據采集部分采用16位的AD7705串行模數轉換器，測量電路如圖3所示。

圖3 AD630與AD7705電路截圖

5 剩余容量計算方法

剩余容量的計算方法實現方案中，以1kV的UPS中常用的12V閥控鉛酸蓄電池的容量內阻對應關系實驗為例，首先將未充滿電的12V閥控鉛酸蓄電池蓄電池進行恒流充電，充滿之后蓄電池會進入浮充狀態，此時可以用萬用表測得電池兩端的電壓為13.6V，電流為10.5mA。然后通以放電率0.1C的恒流向負載放電，在整個過程中記錄蓄電池的內阻值。多次重復放電過程，將得到的數據在Matlab中擬合成剩余容量與內阻的關系變化曲線，如圖4所示。最后，將具體數值保存在控制器的存儲單元當中，由單片機進行實時調用存儲器中的數據，可以用查表法計算出相應的容量值。

圖4 鉛酸蓄電池內阻與容量關系仿真圖

6 小結

本文介紹了UPS蓄電池的特性、提出了利用改進的鎖相放大法測量蓄電池內阻的原理，設計出了以AD630和AD7705為核心的硬件，通過實驗測量數據并利用Matlab擬合出了蓄電池內阻和剩余容量關系曲線，可以準確地對UPS蓄電池容量進行在線測量。

大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室2017年度開放基金課題申請中

大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室依托天水電氣傳動研究所有限責任公司建設，是國內電氣傳動系統行業唯一一家獲得批準建設的企業國家重點實驗室。實驗室主要專注于石油鉆探、粒子加速器等領域，著重研究以具有高電壓、大電流、極高可靠性、超長連續工作時間等特點的專用大容量電力電子變流器為核心的大型電氣傳動系統與裝備技術，解決現存的技術難題，創建國際一流的科技創新基地，開展基礎理論研究和重大裝備應用研究，引領和帶動行業技術進步。

本著“開放、流動、聯合、競爭”的建設方針，堅持求是、創新、交流和開放的原則，實驗室面向國內外開放，誠摯邀請國內外相關領域的研究人員申請開放課題。

1、資助領域

（1）智慧城市（運管平臺、管理平臺、SCADA系統）；

（2）船舶岸電；

（3）高精度電源

（4）多電平變頻器；

（5）礦井提升機電氣傳動系統。

2、申請人條件

開放基金課題資助項目申請人需具備以下條件：

（1）在與本實驗室研究方向的相關領域取得一定的科研成果，所申請的課題已具備相應的前期研究工作基礎；

（2）原則上應具有高級專業技術職稱或具有博士學位；

（3）申請人不具有高級專業技術職務或博士學位的，需有兩名具有高級專業技術職務的同行專家書面推薦；

（4）申請人申報的課題須經所在單位同意并簽章；

（5）正在攻讀研究生學位的人員不得作為申請人申請；

（6）已獲得本實驗室開放基金課題的資助者再次申請，申請書須附已資助課題的結題報告以及主要研究成果（一式一份）。

3、申請辦法

1.按照申報條件進行申請；

2.申請資助的研究課題必須屬于資助范圍；

3.申請人填寫《大型電氣傳動系統與裝備技術國家重點實驗室開放課題申請書》（一式四份），經所在單位蓋章推薦，向本實驗室提出申請，同時提交電子版

4.非本實驗室固定研究人員均可提出申請；

5.有下列情況者所申請課題不予受理：

（1）未按課題管理辦法執行而被停止資助的課題承擔者；

（2）無故中斷資助課題者。

有意申請者，或想獲知申請詳情者，可用以下方式進行聯系。

聯 系 人：魏永武

聯系電話：13369385891

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通訊地址：甘肅省天水（國家級）經濟技術開發區廿鋪工業園22號

郵政編碼：741020

A residual capacity measuring method for UPS battery

GOU Wen－bo，ZHAO Yu
（School of Electronic Information and Electrical Engineering，Tianshui Normal University，Tianshui 741000，China）

Aiming at the measuring problem of low accuracy for residual capacity of UPS battery，an AC injection method which is mainly based on the lock－in amplifier is proposed to measure the internal resistance of the AC battery and to calculate the residual capacity of the battery.Based on this method，a measurement circuit with AD630 and AD7705 as the core part is designed.The experimental results show that this method has high accuracy and is convenient to measure the residual capacity of the UPS battery.

residual capacity；lock－in amplifier；AC injection method；AC internal resistance

TP13

A

緱文博（1968－），男，甘肅天水人，碩士，助教，研究方向為電力電子與電力傳動。

2017－04－05

1005—7277（2017）02—0059—04

趙 宇（1990－），女，甘肅平涼人，碩士，助教，研究方向為檢測技術與智能技術。