蓄電池內(nèi)阻檢測方法研究與實(shí)現(xiàn)

李運(yùn)濤，曹建剛，董志強(qiáng)，寧延平

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽 712099)

蓄電池作為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電源和電氣系統(tǒng)常備電源被廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)中，是武器系統(tǒng)不可缺少的重要部件。由于蓄電池在武器系統(tǒng)中所起的重要作用，使蓄電池處于良好的充電狀態(tài)是保證武器系統(tǒng)戰(zhàn)斗力的重要條件。所以有必要對(duì)蓄電池運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測，進(jìn)而判斷蓄電池是否需要強(qiáng)制充電、是否過度老化，及蓄電池容量下降到安全線以下時(shí)給予告警，保證使用者能及時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，進(jìn)而保證武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗力。另一方面武器系統(tǒng)的信息化也要求對(duì)關(guān)系到武器裝備生存能力的電源狀況進(jìn)行監(jiān)控，使武器指揮員能夠了解武器裝備的電源工作情況，這也要求對(duì)蓄電池狀態(tài)進(jìn)行在線檢測。蓄電池狀態(tài)的重要標(biāo)志之一就是它的內(nèi)阻。無論是蓄電池即將失效、容量不足或是充放電不當(dāng)，都能從它的內(nèi)阻變化中體現(xiàn)出來。因此可以通過測量蓄電池的內(nèi)阻，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測評(píng)估。

目前國內(nèi)外測量蓄電池內(nèi)阻的常見方法有密度法、開路電壓法、直流放電法和交流伏安法。密度法主要通過測量蓄電池電解液的密度來估算蓄電池的內(nèi)阻，常用于開口式鉛酸電池的內(nèi)阻測量，不適合密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測量。該方法的適用范圍窄。開路電壓法是通過測量蓄電池的端電壓來估計(jì)蓄電池的內(nèi)阻，精度很差，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。因?yàn)榧词挂粋€(gè)容量已經(jīng)變得很小的蓄電池，在浮充狀態(tài)下其端電壓仍可能表現(xiàn)得很正常。直流放電法就是通過對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電，測量電池上的瞬間電壓降，通過歐姆定律計(jì)算出電池內(nèi)阻。雖然這種方法在實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，但是它也存在一些缺點(diǎn)，如無法實(shí)現(xiàn)在線測量且會(huì)影響蓄電池的容量及壽命。交流注入法通過對(duì)蓄電池注入一個(gè)恒定的交流電流信號(hào)Is,測量出蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)Us，以及兩者的相位差θ，由阻抗公式Z=Us/Is及R=Zcosθ來確定蓄電池的內(nèi)阻R。該方法需要測量交流電流信號(hào)Is、電壓響應(yīng)信號(hào)Us，以及電壓和電流之間的相位差θ[1]。由此可見，這種方法測量量過多，導(dǎo)致干擾因素多，且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，影響了測量精度。

為了解決上述各方法的缺陷，本文采用了四端子測量方式，將蓄電池兩端上的電壓響應(yīng)信號(hào)通過交流差分電路與產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號(hào)經(jīng)過鎖相放大器，再將模擬鎖相放大器的輸出電壓信號(hào)通過濾波電路，使交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，直流信號(hào)經(jīng)直流放大器放大后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的值送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

1 蓄電池內(nèi)阻在線檢測機(jī)理

武器系統(tǒng)所用大容量蓄電池的內(nèi)阻很小，滿容量時(shí)內(nèi)阻一般為幾毫歐到十幾毫歐不等。由于電池內(nèi)阻為毫歐級(jí)，而且在武器系統(tǒng)中電磁干擾很大，因此采用常規(guī)的兩端子測量方法測量誤差較大。在此采用四端子測量方式。測量時(shí)兩個(gè)端子加頻率為1 kHz、電流為100 mA的恒定交流小電流信號(hào)(該信號(hào)要根據(jù)具體蓄電池類型進(jìn)行試驗(yàn)，不同廠家蓄電池注入信號(hào)頻率與電流值不同)，另兩個(gè)端子用于測量。測量工作原理如圖1所示，響應(yīng)信號(hào)是指蓄電池注入交流恒流源后，在其兩端測出的交流電壓信號(hào)。

1.1 鎖相放大技術(shù)

在內(nèi)阻測試中采用鎖相放大技術(shù)從蓄電池兩端獲取響應(yīng)信號(hào)。鎖相放大器是利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測器。在信號(hào)檢測的過程中，對(duì)弱信號(hào)放大和傳遞影響最大的是熱噪聲、散粒噪聲所形成的白噪聲和1/f的低頻噪聲，這些噪聲是無法用屏蔽等措施消除的，而鎖相放大器對(duì)這些噪聲有極強(qiáng)的抑制能力，其原理如圖2所示。

鎖相放大器包括信號(hào)通道、參考通道和相關(guān)器。其中相關(guān)器由乘法器和積分器組成，是鎖相放大器的核心部分。由鎖相放大原理可知，當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)同頻時(shí)，鎖相放大器輸出的直流電壓正比于輸入的交流信號(hào)幅度以及被測信號(hào)與參考信號(hào)相位差的余弦；當(dāng)輸入信號(hào)為參考信號(hào)的偶次諧波時(shí)，鎖相放大器輸出為零；當(dāng)輸入信號(hào)為參考信號(hào)的奇次諧波時(shí)，鎖相放大器輸出的直流電壓幅值為基波頻率的1/n；當(dāng)輸入信號(hào)與參考信號(hào)無關(guān)時(shí)，鎖相放大器輸出為零[2]。通過上述過程，鎖相放大器可將與參考信號(hào)同頻的有用信號(hào)從干擾中檢出。

1.2 蓄電池內(nèi)阻的檢測機(jī)理

鎖相放大及濾波電路是內(nèi)阻測量的核心部分，用于分離有用信號(hào)和噪聲，并對(duì)微弱的內(nèi)阻測量信號(hào)進(jìn)行鎖相放大及濾波處理。

設(shè)正弦信號(hào)為：

u0(ωt)=Asinωt

(1)

由注入電流激勵(lì)產(chǎn)生的被測電壓信號(hào)經(jīng)鎖相放大后輸出為u1，則有：

u1(ωt)=Bsin(ωt+θ)

(2)

式中:θ為注入蓄電池的交流電流和其兩端響應(yīng)電壓信號(hào)的相位差。

通過鎖相放大器后有：

U(ωt)=k×u0(ωt)u1(ωt)=kAB×sinωt×sin(ωt+θ)=0.5AB×[sinθ+sin(2ωt+θ)]

(3)

式中：k為模擬乘法器的放大系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)原理，U經(jīng)低通濾波器濾去交流成分后輸出為：

U=0.5×ABsinθ

(4)

由交流法測內(nèi)阻原理知蓄電池內(nèi)組R為：

R=Bsinθ/I

(5)

比較上述兩式，可得

U=0.5kAIR

(6)

用基準(zhǔn)電阻Rc替換蓄電池進(jìn)行同樣的測試(恒流源電流保持不變)，通過相同的推導(dǎo)可得輸出信號(hào)為：

U′=0.5kAIRc

(7)

根據(jù)(6)、(7)兩式，可得U/U′=R/Rc，于是電池內(nèi)阻為：

R=(U/U′)Rc

(8)

其中，直流電壓U和U′值是通過A/D數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)在線獲得的采樣值，而基準(zhǔn)電阻Rc(每次僅在系統(tǒng)啟動(dòng)初試狀態(tài)檢測一次)的阻值是已知的，由此可在線檢測到蓄電池內(nèi)阻阻值。

2 蓄電池內(nèi)阻檢測儀的實(shí)現(xiàn)

2.1 內(nèi)阻檢測儀

蓄電池內(nèi)阻檢測儀的實(shí)現(xiàn)原理示意圖如圖3所示，主要包括交流源的形成及其向蓄電池的注入，交變信號(hào)在蓄電池上產(chǎn)生的交變電壓信號(hào)的鎖相放大及低通濾波等幾個(gè)主要部分。其中，關(guān)鍵點(diǎn)是小信號(hào)注入蓄電池和信號(hào)檢出的鎖相放大技術(shù)。小信號(hào)注入技術(shù)是指把毫伏級(jí)正弦交流小信號(hào)注入蓄電池的方法，而鎖相放大技術(shù)則是一種極為有效的弱信號(hào)檢測及處理技術(shù)，可以將微弱的信號(hào)從噪聲混頻中提取出來，對(duì)噪聲干擾有很好的抑制作用[3]。

上述電路中，信號(hào)發(fā)生器同時(shí)產(chǎn)生同頻的正弦信號(hào)和方波信號(hào)，產(chǎn)生的正弦信號(hào)提供給正弦交流恒流源電路，方波信號(hào)提供給鎖相放大電路作為同步參考信號(hào)。恒流源電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成交變電流信號(hào)并注入到蓄電池，此時(shí)，在蓄電池上會(huì)形成因交變電流而產(chǎn)生的交變電壓信號(hào)[4]。由于蓄電池上產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)微弱，因此需經(jīng)過放大才能進(jìn)行檢測，這里用了差分放大電路，對(duì)混有噪聲的交流電壓信號(hào)進(jìn)行放大。放大后帶有噪聲的交流電壓信號(hào)再通過鎖相放大電路進(jìn)行鎖相放大，經(jīng)過低通濾波，濾除噪聲及高次諧波，此時(shí)交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，此信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

2.2 壓控恒流源的實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)蓄電池狀態(tài)檢測的前提是可以提供需要的交流恒流源。恒流源功能是向負(fù)載提供恒定的電流，也即它是一個(gè)電源內(nèi)阻非常大的電源。為了保證內(nèi)阻有較高的測量精度及較好的重現(xiàn)性，要求恒流電流源有足夠的穩(wěn)定度，并且波形失真度要小。

電路組成框圖如圖4所示，恒流源是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流負(fù)反饋電路。標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定、對(duì)稱、失真度低的l kHz正弦波信號(hào)(根據(jù)需要可調(diào))。驅(qū)動(dòng)電路把正弦波放大去推動(dòng)功放電路，得到正弦交流電流輸出。恒流源控制器從功放輸出中得到的信號(hào)，通過與給定的信號(hào)相比較，來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，從而使輸出電流保持穩(wěn)定[5]。

圖4中，信號(hào)發(fā)生器采用HARRIS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種精密波形發(fā)生器ICL8038。它能產(chǎn)生高精密的正弦、方波、三角波、脈沖等波形，頻率從0.01Hz到300kHz，波形與幅值均可通過電壓調(diào)節(jié)。功率放大器采用APEX公司生產(chǎn)的一種寬帶、大電流型運(yùn)算放大器PA16,用于驅(qū)動(dòng)阻性、感性和容性負(fù)載。它采用互補(bǔ)式集電極輸出，能夠輸出和電源相近的電壓并受電感反沖保護(hù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證結(jié)果，用該設(shè)計(jì)方法研制的測試儀對(duì)某軍用鉛酸蓄電池進(jìn)行了隨機(jī)、連續(xù)放電測試，測試結(jié)果如表1所示。

測量可見，實(shí)測內(nèi)阻值與標(biāo)稱內(nèi)阻值關(guān)系基本是隨機(jī)分布，且測量誤差0.5%以內(nèi)。表中，標(biāo)稱內(nèi)阻是用HIOKI公司的高精度蓄電池測試儀測試得出的(其精度在0．1%以內(nèi))。之所以測量精度比標(biāo)稱精度低，可能由于受HIOKI公司測試儀顯示位數(shù)的影響，在內(nèi)阻顯示時(shí)，其最后一位數(shù)字可能另有0．5字誤差。另外設(shè)計(jì)儀表和標(biāo)稱內(nèi)阻測量儀表量程分段范圍不同，容易引起正常誤差狀態(tài)下的某一數(shù)據(jù)段測量值與標(biāo)稱內(nèi)阻相差稍大，而在另一數(shù)據(jù)段又變?yōu)樯孕〉那闆r。

表1 測試結(jié)果

4 結(jié)束語

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該處理方法的適用范圍廣，測量精度高，對(duì)蓄電池的損害小，可以對(duì)蓄電池進(jìn)行安全的在線監(jiān)測。同時(shí)，不需要進(jìn)行交流采樣和求解相位差，就能求出蓄電池的內(nèi)阻值。這就簡化了交流注入法中需要對(duì)蓄電池兩端交流電壓和相位差進(jìn)行測量的軟硬件的復(fù)雜程度。該方法可以滿足蓄電池檢測的要求，取得了較好的實(shí)用效果，完成了對(duì)蓄電池的性能檢測和故障診斷。為蓄電池的在線檢測提供了一種實(shí)用的方法。

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