精确测量蓄电池内阻方法的研究

精确测量蓄电池内阻方法的研究1．引言蓄电池作为电源系统停电时的备用电源，已广泛的应用于工业生产、交通、通信等行业。如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测。蓄电池状态的重要标志之一就是它的内阻。无论是蓄电池即将失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此可以通过测量蓄电池内阻，对其工作状态进行评估。目前测量蓄电池内阻的常见方法有：（1）密度法密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。该方法的适用范围窄。（2）开路电压法开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池内阻，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，再浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。（3）直流放电法直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。虽然这种方法在实践中也得到了广泛的应用，但是它也存在一些缺点。如用该方法对蓄电池内阻进行检测必须是在静态或是脱机状态下进行，无法实现在线测量。而且大电流放电会对蓄电池造成较大的损害，从而影响蓄电池的容量及寿命。（4）交流注入法交流法通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号IS，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差θ，由阻抗公式来确定蓄电池的内阻R。该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻，故不会对蓄电池的性能造成影响。但该方法需要测量交流电流信号Is,电压响应信号Vo，以及电压和电流之间的相位差θ。由此可见这种方法不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，同时也影响了测量精度。为了解决上述各方法的缺陷，本文采用了四端子测量方式，将蓄电池两端上的电压响应信号通过交流差分电路与产生恒定交流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过滤波电路，使交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后进行模数转换，将转换后的值送入单片机进行简单处理。2．蓄电池内阻检测原理由于电池内阻为毫欧级，因此采用常规的两端子测量方法测量误差较大，在此采用四端子测量方式。测量时两个端子施加一频率为的恒定交流激励电流信号，另两个端子用于测量。测量工作原理图如图1所示，响应信号是指蓄电池注入交流恒流源后，在其两端测出的交流电压信号。而正弦信号是经D/A产生的作为压控恒流源的输入信号。设正弦信号为：（1）蓄电池两端的响应电压信号为：（2）θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差。通过模拟乘法器后有：K为模拟乘法器的放大系数。进行低通滤波后滤掉交流成分得：（3）由交流法测内阻原理得：（5）式中I为交流恒流源信号的最大值。比较（4）、（5）可得：上式中K、A、I都是已知量，而u为经过A/D采样送到单片机进行处理的采样值，所以在单片机中进行一个简单的除法运算便能得到蓄电池内阻了。3．交流恒流源的设计成功检测蓄电池状态的前提是可以提供需要的交流恒流源。恒流源是能够向负载提供恒定电流的电源装置。它是一个电源内阻非常大的电源。为了保证内阻有较高的测量精度及较好的重现性，要求恒流电流源有足够的稳定度，并且波形失真度要小。这里所需交流信号幅度为40mV，频率为1KHZ。但是传统的低频交流信号发生器设计中存在很多的不足：应用通用电路,元器件多,尤其是电容的体积大,且波形的稳定性差、失真大,调节也极不方便；应用专用电路,如ICL8038、MAX038等,其失真和稳定性方面有明显提高,但低频应用时不合适,调节不方便,成本也较高。3．1设计原理本文采用了数字式信号发生器产生标准正弦波和电流负反馈法产生精确交流恒流源法,交流恒流源实现原理如图2所示。电路组成框图如图2所示：这是一个闭环控制系统，电流负反馈电路。标准正弦波产生一个频率稳定、对称、失真度低的1KHz正弦波信号。驱动电路把正弦波放大，去推动功放电路，得到正弦交流电流输出。恒流控制电路从功放输出中得到的信号，通过与给定的信号相比较，来调节驱动电路的信号，从而使输出电流保持稳定。3．2标准正弦波的产生原理标准正弦波信号的产生采用数字式信号发生器。首先将正弦表数据存储在如图3所示的正弦信号存储器中,晶振产生振荡频率f，经过整型电路变为完整方波频率，再经过R分频电路得到频率为f/R,再经过鉴相器FD和环路滤波器LF电路锁相分频后，读取存储在正弦信号存储器中的正弦值,经过D/A转换电路和经低通有源滤器滤波电路，生成图2所需的标准正弦波。图3标准正弦波信号源原理框图4．总结与现有技术相比，该处理方法的适用范围广，测量精度高，对蓄电池的损害小，可以对蓄电池进行安全的在线监测管理。同时不需要进行交流采样和求解cos，就能求出蓄电池的内阻值。这简化了交流注入法中需要对蓄电池两端交流电压和相位差进行测量的软硬件的复杂程度。该方法可以满足蓄电池检测的要求，取得了较好的实用效果，完成了对铅酸蓄电池的性能检测和故障诊断。为蓄电池的在线检测提供了一种实用的方法。参考文献：【1】李立伟，邹积岩。蓄电池内阻测量装置的研究。电源技术，2003(1)【2】夏勇，锁相放大技术在蓄电池内阻检测中的应用。电子应用技术，2004(3)【3】MarkleGJ.ACImpedancetestingforvalveregulatedcells[J].Conf.Proc.INTELEC,1992[讨论:大容量电池内阻的测量精度](1)结构:大容量电池在结构上往往由电气独立的2~4单格组成,每格750或1000AH,如:2X750(1500AH),2X1000(2000AH),4X750(3000AH).由于极柱独立,安装时由外汇流条作串并连接.离线测量下等于单独测量分格内阻,在线测量下的数据与连接方式(先串后并或先并后串)有关,实用中以先串后并为多.(2)数据:内阻测量数据与设计,工艺,材料等制造因素有关,与运行时间,荷电量,温度等运行条件有关,也与所选用的仪表有关.一般而言,进口电池给出“内阻不大于”的技术指标,其一致性好,价也高,而国产电池则相反.统计表明:大容量电池的内阻满电下不大于0.1毫欧姆.(3)分辨率:如第2条所述,则10微欧姆(0.01毫欧姆)的分辨率对0.1毫欧姆的对象而言,只能得到0~9的有效数字,略显不足,应采用1微欧姆的仪表,可得0~99有效数字.(4)精度:在线干扰是测量精度最大的敌人.离线测量多用于电池制造或电池验收,在线测量多用于现场维护,从而难度更大,价位也更高,非特殊要求下应尽量优选适用分辨率(如:10微欧姆)仪表即可.(5)单位:电导与内阻互为为倒数,电导的计量单位在欧洲叫西门子(S),在美国叫姆欧,实际使用中并无区别,不过需注意单位的换算,如福光电子经销的Midtronics公司的电导仪,量程为100~19999S,换算后的最大分辨率等于1/20000=0.05毫欧姆.你用的那个东西,是采用四桥电路进行测量,目前国内有一些厂家在用.但实际效果不好.以下是常见的蓄电池容量-内阻的关系:铅酸阀控蓄电池的内阻容量一览表由于各个蓄电池生产厂家的工艺控制以及原材料的差异,在蓄电池的内阻上会有些差异,但都是在一个数量级,为此以下的内阻数值仅供参考.电池电压电池容量(Ah)电池内阻(mΩ)2V2000.502V3000.402V4000.352V5000.302V6000.252V8000.202V10000.152V12000.122V15000.12V20000.082V30000.076V7.2206V12106V2001.512V72512V122012V241012V33912V38812V65612V804.012V1003.812V2002.5注:此处所指蓄电池容量为10小时率下的容量.以上所测试的数据是使用BIS系列产品.所测试的蓄电池均为性能良好且活化后充足电的情况.(1)4线制原理:毫欧姆级测量原理叫“4线制法”,其本质还是欧姆定律:V=IXR,R为被测电阻,I为流过被测电阻的电流,V为被测电阻两端的电压,设计时一般以恒流注入被测电阻,电阻两端的电压可以放大,调整增益就可直接显示电阻值.当被测电阻值小到比接触电阻或导线电阻还小时、测量的关键是需排除所有导线电阻和接触电阻的不利影响,排除方法是电流注入回路与电压测量回路彻底分离(即4线),电流回路与电压回路有2个节点,由于信号电压可以放大,故在理论上在2个节点之间可以测出任意小的电阻,但实际上注入电流的稳定性有限,电压放大的增益有限,信噪比有限,4线制也有测量下限,从10微欧提高到1微欧需要解决许多技术难题.(2)其他讨论:对纯电阻的测量原理上注入直流,交流效果都一样,但当2个节点间包含有电抗时,读数显示的为阻抗,阻抗值将与注入电流的频率有关,很多论文着重讨论了电池的电抗模型,并得出许多错误结论,如美国ALBER公司的电池电抗模型,从中得出交流不能测内阻的结论,并由此申请了“大电流直流放电法”的美国专利,实际上这是误导,有商业宣传之嫌,反例为日本日置公司的内阻仪,就使用了1000HZ的交流注入.这里要特别澄清的重要概念为:二次电池是电学理论R、L、C之外的另类元件,即:不能用R、L、C构建出电池模型,应该把二次电池理解为一种能量转换元件,其VI曲线非普通电子学理论可以包括,因此,测量“电池内阻”应正确理解为“等效阻抗”的测量.欢迎讨论!因为电池是个能量转换系统,在充足电后,再有电流充入的话,测得内阻肯定较大,我认为对电池测试内阻,电池在满电量时,测放电电阻较佳,电池在5成电量时测充电电阻较佳,电池在8成电量时,测交流静阻较佳,实测各种方法测出的电阻是不一样的,所以我把电池分为放电电阻,充电电阻,与静态电阻.测试到毫欧微欧量级的直流电阻,导线和触点的电阻就不可忽略了.采用4线制测试,是缓解导线压降的良好方法.在测试电池内阻的时候,采用交流法比较好的一个地方就是可以不受电池极化形成的内阻的影响.采用交流法测试,还要抵消电池电抗部分对电池阻抗的影响,形成电池的纯阻.而电池的纯阻是对电池影响最大的参数.我不认为其电抗部分不抵消就可以的,而电抗值与测试频率有关.所以,我不赞成采用阻抗代替电池内阻的说法.主题:用内阻解读电池黑匣子模型(1)物理学研究方法之一为“黑匣子法”(注意:完全不同于飞机黑匣子概念),即:只观察研究对象可测物理量的变化,而完全不管其内部发生了什么.(2)密封阀控蓄电池最适合黑匣子模型,电池一旦被密封就只剩下2个极柱与外界交换能量,在形象上与黑匣子很贴近,但更主要的原因是目前电化学研究不能给出内部发生什么的有用结论,只能依靠物理量的测量解读电池黑匣子.(3)在2个极柱之间可进行3种测量:直流端电压,等效阻抗,和标准放电实验(注意:充放电流与温度,压力等一样只算作改变电池状况的外部条件).电压法与放电法的种种不足不再议论,而内阻法则是当前电池维护技术研究中最活跃的课题.(4)解读黑匣子最关心物理量的敏感度,即:与研究目标之间的相关度.实测表明对电池状况而言,当注入频率低于30HZ以下时,阻抗与纯阻在相关度上并没有有价值的差别.1、贵公司采用什么频率?2、贵公司产品计量状态如何?(1)2个频点:主选25HZ(带50HZ同步).备选500HZ(可用!但激励,信号之间的电磁感应难以消除,造成零点附近线性不好,备选理由是避开大电站的其他25HZ同频测试信号).(2)信息产业部电源检测中心检测内阻精度+/-5%,河南计量中心检测+/-2%(预先按试样校准).1、能否说明测量铅酸蓄电池内阻的测试条件.譬如说:在测试其内阻时蓄电池的状况(电量如何)、是充电状态还是放电状态?如是放电状态,其放电电流有多大?2、衡量铅酸蓄电池性能指标之一---内阻在通常意义上的含义是什么?是不是在充电时的内阻不是考核性能指标?我们在做铅酸蓄电池充电器时,知道铅酸蓄电池在充电时存在欧姆极化问题.充电方式不同,其极化电阻相差甚大的.(1)内阻的测试条件:对在线电池组而言,最方便的为浮充态测试,有80%左右的判别