淺談軌道車輛蓄電池常用的測量方法

侯航 毛燕春 孫麗偉

摘要：蓄電池供電單元是高速動車組車輛供電系統中一個重要的組成部分，通過對蓄電池采用有效的測量手段及時準確的發現蓄電池存在的隱患，并及時更換蓄電池，內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性，大量的實驗數據證明：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升高，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認可，因而蓄電池內阻的檢測成為保證高速動車組蓄電池系統健康安全的關鍵方法。

關鍵詞：動車組;蓄電池;內阻;檢測

蓄電池內阻常見的測試方法有三種：

一、直流放電法

直流放電法是在電池組兩端接入放電負載，根據在不同電流I1、I2的電壓變U1U2來計算內阻值，由E-I1×r=U1、E-I2×r=U2得：r=（U1-U2）/（I2-I1），由于內阻值很小（圖一），在一定電流下的電壓變化幅值相對較小，給準確的測量帶來了困難，由于放電過程電壓的變化，需要要選擇穩定的區域計算電壓變化幅值。實際測量直流放電方法所得的數據的重復性較差，準確度很難達到10%以上。此測量方法需要將電池組放在專用的測試臺位進行測量并且對測試電池組有著不可逆的損傷，影響蓄電池的容量及壽命。故實際生產過程中多不采用此方法。

二、開路電壓法

開路電壓法是通過測試蓄電池端電壓來估計蓄電池內阻，此種方法測量的精度很差，甚至得出錯我的結論。因為即使一個容量已經變得很小的的蓄電池，再浮充狀態下其端電壓可能表現得很正常，故此種方法在現車試驗過程中只作為電池狀態的初步參考意義，在蓄電池異常問題處理過程中開路電壓法測量的數據并不能作為可靠數據來判斷蓄電池內阻值。

三、交流注入法

交流注入法測量蓄電池內阻的原理如圖1 所示

其中RS未電流采樣電阻，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U0（i）和流過的電流Is以及兩者相位差如圖2 所示

Z（i）=U0/Is（1）

R（I）=z（（2）

根據公式1）和公式（2）計算出電池的內阻。交流法無需放電，不用處于靜態或脫機，可以實現完全的在線監測管理，避免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，施加交流電流也很小，故不會對直流系統的性能造成不利影響。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，根據公式（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

為了克服上述檢測方法的缺點，有專家就提出了直接利用采樣點計算相移的新方法。根據交流采樣算法，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：tn-t0=T（4）ti-ti-1=TS（i=1，2，…，n）??? （5）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，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：

由于采用交流注入法的蓄電池測量方法測試表筆選擇四端測量法，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200AH閥控鉛酸蓄電池的內阻只有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。

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。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、成本造價低、測試誤差小等優點，滿足蓄電池內阻在線檢測的要求，為軌道車輛蓄電池維護、故障排除、車輛調試提供了技術支撐。

參考文獻：

[1]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.

[2]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].中國新技術新產品.2009（18）：26-29.

[3]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.