一种应用于UPS蓄电池的剩余容量测量方法

缑文博，赵 宇

（1.天水师范学院电子信息与电气工程学院，甘肃天水741000）

一种应用于UPS蓄电池的剩余容量测量方法

缑文博，赵 宇

（1.天水师范学院电子信息与电气工程学院，甘肃天水741000）

针对UPS蓄电池剩余电量测量不准确的问题，提出了一种以锁相放大为主的交流注入法测量蓄电池交流内阻，通过阻值计算蓄电池剩余容量的方法。以此为基础，设计出了以AD630和AD7705为核心的测量电路。实验表明，这种方法准确度高，便于实现UPS蓄电池剩余容量的测量。

剩余容量；锁相放大；交流注入法；交流内阻

1 引言

蓄电池的容量是表征其储存电能能力的物理量，也是衡量蓄电池工作状态和寿命的重要指标。其容量的定义方法是将蓄电池进行充电，测量电极两端电压保持不变时（浮充状态时），对额定负载以恒定电流值放电，放至蓄电池两端电压为终止电压时，所放出的能量值就是蓄电池的容量值。常用字母C表示，单位为Ah。

对UPS阀控铅酸蓄电池剩余容量的计算一直是蓄电池研究领域的一个重要研究课题。蓄电池充放电是一个复杂多变的化学反应过程，而且容易受到外界因素的影响，比如温度、放电速度、负载功率等，通常情况下，只能在UPS对负载放电工作时，实时对剩余电量进行计算。因此，准确测量铅酸蓄电池的剩余容量，是决定UPS系统性能优良与否的重要指标。

2 常用蓄电池剩余容量计算方法比较

目前，常用的测量剩余容量的方法主要有以下几种。

（1）放电测量法：通过对固定值的电阻进行恒流放电，测量电池容量，该方法耗费时间，浪费电能。测量时UPS必须脱离工作电路，不符合UPS在线测量的实际要求。

（2）安时积分法：用积分法进行测量，必须长时间采集电流参数。测量过程中电路受到的干扰误差会累计增加，造成剩余容量计算不准确，故必须对蓄电池进行多次放电实验以确定放电效率公式。此方法参数计算需要使用高性能处理器来完成，成本高，不易得出蓄电池的初始荷电状态数据。

（3）开路电压法：测量蓄电池内阻时需要长时间静置，有利于提高测量精确度。精确测量程度通常会受到静置时间长短的影响。实际测量时可用改进的OCV法进行优化。

（4）模糊控制与神经网络法：模糊控制法经验性强，建立模型比较方便，但控制器设计方法多样，容易引起混乱。神经网络法需要采集大量的数据建立理论模型，与蓄电池特性结合难度较大，不易用硬件电路实现。

3 改进的交流注入法测量蓄电池内阻

研究发现铅酸蓄电池的内阻值和容量有着密切的关系，应用锁相放大电路改进的交流注入法进行测量，可以实现UPS工作时的在线对放电剩余容量进行预测的功能，在实际电路中对蓄电池的正常工作状态影响也小。传统的交流注入法由于测量微弱信号时容易受到噪声干扰，因此，在锁相放大环节采用AD630对传统方法进行了改进，无需进行交流采样和求解相位差。

（1）铅酸蓄电池的等效模型

阀控铅酸蓄电池的等效模型如图1所示，图中 R1、R3为正负极极化电阻，电容 C1、C2为正负极极化电容，L为引线的电感，R2为蓄电池欧姆电阻。蓄电池欧姆电阻R2表征了蓄电池的荷电程度，为了简化测量，通常从等效阻抗中仅分离出纯电阻R（R 由 R1、R2、R3构成），R 和 R2之间呈线性关系，故可用R间接表征蓄电池荷电程度。

图1 铅酸蓄电池交流等效模型

（2）铅酸蓄电池内阻测量基本原理

锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是微弱信号检测的一种有效方法。UPS系统对蓄电池容量的测量应用锁相放大法，能够有效地抑制干扰和噪声，提高测量的准确性；测量电路中使用平衡调制解调芯片AD630设计的锁相放大器，对传统方法进行了改进，简化了繁琐的测量过程，易于硬件电路的实现，提高了测量数据准确性。

（3）测量蓄电池内阻的计算方法

由于UPS蓄电池容量较大，内阻很小，一般是小于几个毫欧。因此，为了避免测量线路自身内阻的干扰，通常用四线法进行测量，测量原理图如图2所示。

图2中，相敏检波器是构成锁相放大器的核心，通常由开关元件组成的乘法器，完成待测信号和参考信号的相乘功能。进行信号乘法运算时，设输入信号为US，参考信号为Ur，输出信号为UO，则有下面的关系式：

其中，ES和Er分别表示两信号幅值；f1和f2表示频率；β1和 β2表示初相角。

图2 改进交流注入法测量内阻原理框图

前者表示输入信号和参考信号的差频分量，后者为和频分量。当US和Ur同步时，差频分量变成直流电压分量。产生的倍频分量由设计电路中的低通滤波器滤除，则有：

电路中采用方波信号，频率50Hz做为参考信号，相敏检波器可以工作在开关状态。令Er＝1，将方波参考信号展开为傅立叶级数：

其中，n为谐波次数；f2为50Hz。如果输入信号为US＝ESsin（2πf1t＋β1）时，输出为：

两信号的频率相同，因此，直流分量为：

其中，θ为ES和Er的相位差。

由于电池内阻上存在容性分量，输入信号通过蓄电池后有相位差θ，设被测蓄电池的内阻为RZ，纯电阻为R，则有交流源输出信号为I＝Asinωt，取样电阻 Rf两端的压降为 Uf＝IRf＝AsinωtRf，设放大器的增益为k，电池上产生的交流电压信号为经过AD630调制处理后，将实际方波参考信号展成傅立叶级数为：

则AD630的输出为：

设放电电路增益为C，输出信号经过滤波和放大之后得：

在输入参考量和待测信号不变的测试状态下，用1Ω的恒值电阻代替R，重复上述测量过程，得到：

由公式1和公式2可得：

通过AD7705可以计算出输出直流压值，而基准电阻R1的值已知，因此可以计算出蓄电池的内阻值R。

4 蓄电池剩余容量测量电路设计

蓄电池剩余容量主要是根据内阻值来进行计算的。剩余容量测量电路中AD630构成锁相放大电路，OP07及外围器件组成低通滤波电路。系统要求交流信号发生器和滤波电路的精度高，单片机同时控制两路AD7705，对蓄电池的电压和电流进行采集，有效地减小了测量误差。设计采用ICL8038芯片，通过调节外围电路参数，能够产生0.001kHz－300kHz的脉冲波。数据采集部分采用16位的AD7705串行模数转换器，测量电路如图3所示。

图3 AD630与AD7705电路截图

5 剩余容量计算方法

剩余容量的计算方法实现方案中，以1kV的UPS中常用的12V阀控铅酸蓄电池的容量内阻对应关系实验为例，首先将未充满电的12V阀控铅酸蓄电池蓄电池进行恒流充电，充满之后蓄电池会进入浮充状态，此时可以用万用表测得电池两端的电压为13.6V，电流为10.5mA。然后通以放电率0.1C的恒流向负载放电，在整个过程中记录蓄电池的内阻值。多次重复放电过程，将得到的数据在Matlab中拟合成剩余容量与内阻的关系变化曲线，如图4所示。最后，将具体数值保存在控制器的存储单元当中，由单片机进行实时调用存储器中的数据，可以用查表法计算出相应的容量值。

图4 铅酸蓄电池内阻与容量关系仿真图

6 小结

本文介绍了UPS蓄电池的特性、提出了利用改进的锁相放大法测量蓄电池内阻的原理，设计出了以AD630和AD7705为核心的硬件，通过实验测量数据并利用Matlab拟合出了蓄电池内阻和剩余容量关系曲线，可以准确地对UPS蓄电池容量进行在线测量。

大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室2017年度开放基金课题申请中

大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室依托天水电气传动研究所有限责任公司建设，是国内电气传动系统行业唯一一家获得批准建设的企业国家重点实验室。实验室主要专注于石油钻探、粒子加速器等领域，着重研究以具有高电压、大电流、极高可靠性、超长连续工作时间等特点的专用大容量电力电子变流器为核心的大型电气传动系统与装备技术，解决现存的技术难题，创建国际一流的科技创新基地，开展基础理论研究和重大装备应用研究，引领和带动行业技术进步。

本着“开放、流动、联合、竞争”的建设方针，坚持求是、创新、交流和开放的原则，实验室面向国内外开放，诚挚邀请国内外相关领域的研究人员申请开放课题。

1、资助领域

（1）智慧城市（运管平台、管理平台、SCADA系统）；

（2）船舶岸电；

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2、申请人条件

开放基金课题资助项目申请人需具备以下条件：

（1）在与本实验室研究方向的相关领域取得一定的科研成果，所申请的课题已具备相应的前期研究工作基础；

（2）原则上应具有高级专业技术职称或具有博士学位；

（3）申请人不具有高级专业技术职务或博士学位的，需有两名具有高级专业技术职务的同行专家书面推荐；

（4）申请人申报的课题须经所在单位同意并签章；

（5）正在攻读研究生学位的人员不得作为申请人申请；

（6）已获得本实验室开放基金课题的资助者再次申请，申请书须附已资助课题的结题报告以及主要研究成果（一式一份）。

3、申请办法

1.按照申报条件进行申请；

2.申请资助的研究课题必须属于资助范围；

3.申请人填写《大型电气传动系统与装备技术国家重点实验室开放课题申请书》（一式四份），经所在单位盖章推荐，向本实验室提出申请，同时提交电子版

4.非本实验室固定研究人员均可提出申请；

5.有下列情况者所申请课题不予受理：

（1）未按课题管理办法执行而被停止资助的课题承担者；

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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

缑文博（1968－），男，甘肃天水人，硕士，助教，研究方向为电力电子与电力传动。

2017－04－05

1005—7277（2017）02—0059—04

赵 宇（1990－），女，甘肃平凉人，硕士，助教，研究方向为检测技术与智能技术。