铅酸蓄电池内阻检测仪设计

李 艳,李 燚，倪敏娜

(东华大学机械工程学院，上海 201620)



铅酸蓄电池内阻检测仪设计

李 艳,李 燚，倪敏娜

(东华大学机械工程学院，上海 201620)

铅酸蓄电池的SOH(State of Health)反映蓄电池的劣化程度，与蓄电池内阻是对应变化的关系。文中设计一种铅酸蓄电池内阻检测仪，基于交流阻抗法实现铅酸蓄电池内阻快速检测。交流恒流源产生正弦交流信号并注入到蓄电池；引入精密采样电阻，与蓄电池组成串联回路，将蓄电池及精密电阻两端产生的微弱响应信号经处理后送入单片机进行A/D转换，根据响应电压比值计算出蓄电池的内阻，并实时显示。为了验证此检测仪的性能，进行了实验验证，实验结果表明该仪器可有效检测铅酸蓄电池的内阻，反映蓄电池的SOH,区分新旧电池，检测结果稳定精确，具有一定的实际应用价值。

铅酸蓄电池;交流阻抗法;内阻检测;SOH;交流恒流源

0 引言

铅酸蓄电池作为供电系统的后备电源，在通信、银行、交通、金融等领域得到广泛应用，其稳定性直接影响这些领域关键系统的稳定与安全。内阻是衡量铅酸蓄电池健康状态的一个重要参数，实验表明老化蓄电池的内阻要明显大于新电池的内阻，因此内阻的检测可显著区分新旧电池，判别蓄电池的健康状态SOH(State of Health)[1-2]。由于蓄电池内部的化学反应及外部干扰等情况，蓄电池内阻的检测易受噪声影响，同时蓄电池内阻检测技术不够成熟，因此对蓄电池内阻检测有研究意义。目前交流阻抗法是检测铅酸蓄电池内阻热门方法之一。交流阻抗法是对蓄电池注入恒定的小幅低频交流电流信号，检测蓄电池两端的响应电压信号及二者的相位差，再计算出蓄电池的内阻[3]。交流阻抗法可在线检测，无需对蓄电池进行放电，不会对蓄电池的性能造成影响。

文献[4]中提出的交流阻抗法，对蓄电池进行内阻检测，通过测量电池电动势、交流响应电流及使用相位测量器测量的相位差来计算电池内阻。传统交流阻抗法要对响应信号的相位进行检测，同时要考虑检测导线的电阻，检测误差较大。文献[5]中采用直流放电与交流阻抗相结合的检测方法，通过直流放电获得内阻数据与交流法获得的极化内阻的差值来表示蓄电池的内阻。此种直流交流相结合的内阻检测方法仍然需要对蓄电池进行放电操作，会对蓄电池的使用寿命造成影响。

本文所述的内阻检测仪是在交流阻抗法的基础上引入精密采样电阻，使其与蓄电池组成串联回路，采用交流注入法对蓄电池注入1 kHz微弱正弦信号。对蓄电池及精密电阻两端产生的输出响应信号进行隔直、滤波放大、整流等一系列处理，再经A/D采样后进入单片机控制器，测得蓄电池及精密电阻两端的响应信号的电压值，计算出蓄电池内阻，并通过实验验证该仪器检测的有效性，同时免除了一般交流阻抗法对于正弦信号相位差的检测，提高了检测精度。

1 内阻检测原理

交流阻抗法原理是给电池注入幅值很小的交流电流信号，测出蓄电池两端的响应电压U，流经的电流I及二者的相位差θ，根据Z=U/I与Z=Rcosθ计算出电池内阻r。不过由于蓄电池的内阻很小，通常只有几到几十mΩ，测量导线的电阻就不能忽略，而传统的交流阻抗法未考虑测量导线的电阻，造成检测结果误差较大。

本文所述的内阻检测仪的检测原理基于四端子法，将驱动电流回路和感应电压回路分开，可减小测量导线的误差[6]。检测仪的具体原理如图1所示。其中：r为蓄电池等效内阻；E为铅酸蓄电池两端电动势；R为精密采样电阻；C1与R1组成隔直电路。交流恒流源产生的正弦激励信号注入到蓄电池，在蓄电池及精密电阻两端产生响应电压信号Ur(t)。由于响应信号微弱，易被外界噪声干扰，需要设计信号处理电路，对响应信号进行隔直、滤波放大、整流等来抑制噪音、增强信号，并进行A/D转换；再根据蓄电及精密电阻两端的响应电压的比值来计算出蓄电池的内阻。

图1 内阻检测原理图

测量中给蓄电池两端施加1 kHz的恒定正弦激励信号

I(t)=I·sin(ωt+θ)

(1)

则蓄电池两端及精密电阻两端的响应电压信号分别为

Ur(t)=Ur·sin(ωt+θr)

(2)

UR(t)=UR·sin(ωt+θR)

(3)

由于精密电阻与蓄电池串联在一个回路上，二者响应电压信号的相位差为0，θr=θR。交流信号经过隔直、滤波放大和整流后，转换成直流电压信号，直流信号经A/D转换进入单片机处理，设A/D采样次数为n，并在响应信号的周期内进行采样，提高计算精度。则有

(4)

(5)

式中ADr_ad、ADR_ad分别表示蓄电池两端电压与精密电阻两端电压的10位A/D采样值。

则

(6)

(7)

式中：Vcc为单片机工作电压，作为模拟参考电压；Vr、VR分别为蓄电池两端和精密电阻两端响应电压转换后的直流电压。

本文采样的是精密电阻R与蓄电池内阻r两端的总响应电压UR+r和蓄电池内阻r两端的响应电压Ur，则有

UR+r(t)=UR+r·sin(ωt+θR+r)

(8)

整流滤波后UR+r(t)转换为直流电压，记为VR+r，则

(9)

式中ADR+r_ad为UR+r的10位AD采样值。

同时精密采样电阻R与蓄电池内阻r串联构成统一回路，流经二者的电流相同，由欧姆定律及式(6)、式(9)可得蓄电池内阻r的表达式为：

(10)

由式(10)可知，蓄电池内阻r只与已知精密采样电阻R、蓄电池两端峰值电压Vr以及蓄电池与采样电阻两端的峰值总电压VR+r有关，后续的处理只需对Vr与VR+r进行精确检测，从而避免了正弦信号相位差的检测，提高了检测仪的检测精度和系统稳定性。

2 内阻检测仪的硬件设计

本文提出的内阻检测仪中设计了蓄电池内阻检测系统。该系统主要由控制器、交流恒流源、滤波放大电路、整流电路、显示模块等组成。硬件系统框图如图2所示。本系统控制器选用高速、低功耗、高抗干扰的单片机STC12C5A60S2，该单片机自带8路高速10位A/D转换电路，工作电压可选3 V或5 V；通信模块选用485通信模块，通信稳定，抗共模干扰能力强。系统的工作原理及过程如下：单片机控制交流恒流源输出正弦信号；交流信号注入到铅酸蓄电池，在蓄电池及精密电阻两端产生响应信号；响应信号经隔直电路、滤波放大电路及整流等电路处理，并送入单片机进行A/D转换和采样；根据测得的蓄电池及精密电阻两端的电压计算出铅酸蓄电池的内阻，并将数据通过显示模块显示出来。

图2 系统硬件框图

2.1 交流恒流源设计

本文设计的内阻检测仪采用正弦波发生器芯片ML2035[7]产生正弦交流信号，设计电路如图3所示。如图所示，电路采用正负5 V电源，ML2035芯片的CLK引脚接入单片机的XTAL1，SCK引脚用于串行时钟输入，SID引脚控制输出信号的频率，LATI引脚用于在下降沿将频率控制字锁入锁存器中。单片机发出特定时钟后，ML2035可产生0～25 kHz的正弦交流信号。正弦信号与直流信号叠加后，与蓄电池正负极及精密电阻组成串联回路，此时经过回路的交流电流即为恒定交流电流。

图3 ML2035驱动电路

2.2 滤波放大电路

正弦交流信号注入到蓄电池后，由于交流信号微弱，易受噪声干扰，有效信号被抑制。图4为滤波放大前蓄电池两端的响应电压波形。抑制噪声干扰，提高有效信号辨识度可提高系统的精度与检测结果有效性。本文采用二阶压控电压源带通滤波电路，其中设计的带通滤波器中心频率为1 000 Hz，带通宽度为100 Hz，电路图如图5所示。滤波放大电路主要由带通滤波电路及反相比例放大器组成，响应信号经滤波放大后可有效滤除噪音干扰，图6为滤波放大后蓄电池两端的响应电压波形。比较图4和图6，滤波电路滤波效果良好，噪声被有效抑制。

图4 滤波放大前的波形

图5 滤波放大电路

图6 滤波放大后的波形

2.3 整流电路

为了获得直流电压信号，设计了全波整流电路，如图7所示，整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电。全波整流后的直流电压信号是脉动直流，含有交流成分，对其进行π型滤波后，消除杂波干扰，进一步抑制噪声，使其变成稳定的直流电压信号。整流时的波形与整流滤波后的波形如图8和图9所示。

图8 整流时波形

图9 整流滤波后波形

3 实验验证与分析

为了验证内阻仪内阻检测的可行性，对型号为FGC200，容量为12V220AH的前端子铅酸蓄电池进行了2次实验。第一次实验对一个新电池进行10次检测，检测结果与标定内阻进行对比；第二次实验对一组新电池与老化电池分别进行检测，并与HIOKI-3554内阻仪的检测结果进行对比。测量结果如表1、表2所示。

表1 FGC200蓄电池标定2 mΩ内阻检测值

次数测量值/mΩ与标定值误差/%11.990.522.073.532.021.042.021.051.981.061.981.072.073.582.042.091.971.5101.962.0

表2 蓄电池内阻检测数据对照表

从上述图表中的数据可以得出：本文提出的内阻检测仪的重复精度在5%以内；本文设计的内阻检测仪与HIOKI-3554高精度内阻仪的检测结果基本吻合，老化蓄电池的内阻明显大于新电池，可以显著区分，并判断蓄电池的SOH，可靠性较好，。为进一步提高检测精度，可采用四阶或更高阶的带通滤波，截止频率段变窄，滤波效果更理想；还可选用带有16位A/D采样的单片机处理器。

4 结束语

本文设计的蓄电池内阻检测仪包括了一套内阻检测系统，采用了一种易实现的交流阻抗法，避免了一般交流阻抗法中交流电流与交流电压信号的相位差的测量，简化了硬件系统复杂程度。为了验证此检测仪内阻检测的可行性，进行了2组实验进行验证，最后与HIOKI-3554内阻仪的结果进行比较。实验结果表明本文所提出内阻检测仪可有效地检测铅酸蓄电池的内阻,判断电池的SOH，并区分新旧电池，精度也满足要求，为铅酸蓄电池的内阻检测提供一个实用的方法。

[1] REMMLINGER J,MEILER M B,DIETMAYER P B.State-of-health monitoring of lithium-ion batteries in electric vehicles by on-board internal resistance estimation.Journal of power sources,2011,196 (12)：5357-5363 .

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[4] 白海霞,朱晨,陈后金.阀控式铅酸蓄电池内阻分析.电源技术,2011,35(2):183-185；188.

[5] FENG Z H,LI Z.Research On Integrated Method To Detect InternalResistance Of Substation Battery.Power and Energy Engineering Conference (APPEEC),Shang hai,2012.

[6] 高明裕,张红岩.蓄电池剩余电量在线测量.电测与仪表,2000,37(9):28-31.

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Design of Lead-acid Battery Internal Resistance Tester

LI Yan,LI Yi，NI Min-na

(College of Mechanical Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

SOH(State of Health) of lead-acid battery reflects deterioration degree of battery,which has the corresponding relation with battery internal resistance.A lead-acid battery internal resistance tester was designed,which was based on the AC impedance method for measuring internal resistance fast.The sinusoidal AC signal was produced by the AC constant current source and was injected to the battery.Meanwhile,the precision sampling resistor and battery composed a series circuit.The weak response signal produced from storage battery and precision resistance entered single chip microcomputer for A/D converter .The battery internal resistance was calculated by response voltage ratios and was shown in the screen.To verify the performance of the battery internal resistance tester,the experiment was carried out.The experimental result shows that the battery internal resistance tester can detect internal resistance of lead-acid battery,deduce SOH of the battery,and distinguish between ageing and new batteries.The results of the measurement are relatively stable and precise.Accordingly,the tester has certain practical value.

lead-acid battery;AC impedance method;internal resistance measurement;SOH;constant current resource

2014-11-07 收修改稿日期：2015-03-28

TP216

A

1002-1841(2015)08-0050-04

李艳(1978—)，工学博士，硕士生导师，副教授，主要研究方向为模糊控制、智能检测系统以及多电机同步控制。 E-mail：liyanly@dhu.edu.cn 李燚(1992—)，硕士研究生，主要研究方向软硬件开发及智能检测系统。E-mail:992190025@qq.com