铅酸蓄电池在线检测仪的设计

张端阳， 郭树满

(1.郑州科技学院实践中心，河南郑州 450064；2.华北水利水电大学机械学院，河南郑州 450045)

0 引言

铅酸蓄电池作为最广泛的可循环使用的储能设备之一，常为工业应急照明设备、工业巡检设备提供电力，铅酸蓄电池的性能直接关系到设备的使用寿命及可靠性，因此及时了解蓄电池的工作状态可以有效地预防设备突发故障的发生[1]。铅酸蓄电池本身的参数较多，但是其安全性和储能能力主要体现在内阻和电压2个参数上，通常对铅酸蓄电池性能的检测也主要体现在内阻和电压上。传统的铅酸蓄电池检测仪智能化程度低、检测精度偏低且价格相对较高，因此本文研制了一个新型铅酸蓄电池智能检测仪，可以通过检测仪上的LCD屏实时查看被测蓄电池的各项参数，并可实现对被测蓄电池参数的本地存储，为后续分析提供数据基础。实际实验证明该型检测仪具有高度集成化、测量精度高、便携式以及成本低等优点[2]。

1 铅酸蓄电池内阻检测原理

本系统利用交流注入法来检测铅酸蓄电池的内阻，即对蓄电池注入恒定的电流源Is，然后测量电极两端感应出的电压Us，为了进一步提高测量的精度，采用交流四端子测量法将驱动电流回路和感应电压回路分开，减小测量导线电阻带来的误差[3]。内阻检测原理图如图1所示。

图1 内阻检测原理图

图2 蓄电池内部等效图

为了更为直观地观察到蓄电池内阻的变化情况，将蓄电池等效成如图2所示的电路，当注入固定频率的恒流源时，在蓄电池内部会发生反馈效应产生感应电压U，图中R5、R6、R7分别表示蓄电池的内阻、虚部内阻以及极化内阻，恒流源Is和产生的感应电压U可以表示为

I=Imaxsin(ωt+φ)

(1)

U=Umaxsinωt

(2)

因此蓄电池的阻抗可以表示为

(3)

当输入的交流信号的频率f变化时，ω也随之变化，当采用四端子测量法时测得的蓄电池的阻抗主要与输入恒流源的频率有关，减小了外界复杂环境因素的影响，提高了测量的准确性。再结合以下公式就可以求得蓄电池的内阻R：

(4)

R=Zcosθ

(5)

2 铅酸蓄电池在线检测仪的总体方案设计

本文采用交流注入四端子测量方法，将恒流源注入到铅酸蓄电池内，此时蓄电池内部就会产生反馈电流，结合相关外围电路可以测量得到相应的感应电压，把产生的感应电压的波形结合注入的恒流源波形作相关数学计算，便可以计算得到蓄电池的内阻[4-5]。最后再利用电压检测芯片完成对蓄电池电压的检测，把测量结果显示在外接LCD屏上或者通过预留的串口通讯接口把测量结果传到上位机上显示，除此之外，系统还具有本地存储功能，可以实现对各个蓄电池测量结果的存储，便于后续分析。铅酸蓄电池在线检测仪的总体设计如图3所示。

图3 系统总体设计图

3 铅酸蓄电池在线检测仪硬件电路的设计

系统硬件电路主要包括基于STM32的恒流源发生电路、功率放大电路、感应回波电压采样电路、蓄电池电压检测电路、LCD屏显示电路以及串口通讯电路等[6]。硬件框图如图4所示。

图4 系统硬件框图

3.1 恒流源发生电路

系统利用STM32F407内部的12位DAC控制器输出频率为1 kHz的正弦波电压信号，再利用以AD844为核心的第二代电流输出传感器构成的压控电流源电路实现恒流源的功能[7]。其原理是当AD844正向端通入电压信号时，输入电压则会原样到达反向输入端，而且会在电阻R8上产生电流信号，正因为AD844具有电流镜的结构，产出的电流几乎全部流入到负载R13中，为了提高系统的性能，引入运放U6作为输入缓冲器和运放U8作为直流反馈使得输出电压的残余直流分量为零。输出电流为I0=Vi/R8。压控电流源电路如图5所示。

图5 压控电流源电路图

3.2 功率放大电路

由于恒流源输出的交流电流较小无法直接注入到蓄电池内，必须通过功率放大电路增加恒流源输出的功率，本系统以AD8610为核心设计了一种功率放大电路，在放大器的输入端通过电容C21滤除直流成分，经过放大后注入到铅酸蓄电池内[8]。AD8610具有低失真、低噪声、低失调电压以及低偏置电流的优点，采用±5 V双电源供电，非常适合用来放大初始恒流源信号，放大电路如图6所示。

图6 功率放大电路

3.3 感应回波采样电路

当把交流电流信号注入到蓄电池内部时其产生的感应电流也会很微弱，约mA级，经过采样电阻后形成的采样电压同样很微小且伴随着干扰信号，因此必须对回波信号进行放大滤波。为了保证放大的准确性，本系统选用专用仪用放大器AD620来完成回波信号的放大，再利用带通滤波电路滤除回波信号中的高低频干扰信号，带通滤波电路的中心频率为1 kHz，感应回波放大滤波电路如图7所示。

图7 感应回波放大电路

3.4 蓄电池电压检测电路

本文设计的蓄电池在线检测仪主要是检测蓄电池的内阻和电压，上述电路主要是完成对蓄电池内阻的测量，以下开始进行对蓄电池电压的检测[9]。随着蓄电池长时间使用，其可储存的电压开始减小，因此对蓄电池电压的测量也可以反映出待测蓄电池的性能。由于对电压检测技术相对成熟，本文选用电压检测芯片BQ26500，其可以完成对蓄电池电压的实时测量，并且功耗极低，电压检测电路如图8所示。

图8 蓄电池电压检测电路

BQ26500内部集成A/D转换器，可以自动实现对采集的模拟电压的转换，BAT+、BAT-分别接蓄电池的正负极，当芯片采集到蓄电池的电压时自动把其转换为数字量，HDQ与STM32的引脚相连，直接把转换后的数字量发送给STM32。

3.5 通讯电路

系统可以通过预留的RS485通讯接口与上位机通讯，还可以通过LCD屏直观地显示测量结果[10]。其中采用SP3485芯片来完成串口通讯，把数据发送到上位机实时显示。SP3485芯片供电电压范围为3.0～3.6 V，芯片的B、A引脚接一个120 Ω的电阻实现阻抗匹配，以达到吸收总线上发射信号的目的，RS485通讯电路如图9所示。

图9 RS485通讯

本系统采用STM32的FSMC总线接口与LCD屏实现通讯，FSMC即静态存储控制器，其能够与同步或异步存储器连接，实现数据的快速传输。LCD显示电路如图10所示。

图10 LCD显示电路

4 软件设计

铅酸蓄电池在线检测仪的软件设计采用模块化设计方法，针对不同的测量要求设计了相应的子程序，便于主程序中对各个子应用程序的调用，增强了程序的可读性。系统软件主要设计了压控恒流源控制程序、外部按键输入程序、蓄电池内阻算法计算程序、A/D转换程序等。首先把1 kHz的恒流源注入到蓄电池内部，其产生的反馈电流流经采样电阻形成回波电压，再由A/D转换器采集此回波电压信号，在STM32内部计算处理得到蓄电池的内阻值。由BQ25600芯片之间完成对蓄电池电压信号的采集转换，然后把转换后的数字量发送给STM32，最终在LCD屏上实时蓄电池的性能参数，系统软件流程图如图11所示。

图11 系统软件流程图

5 实验数据分析对比

为了验证系统的稳定性以及灵敏度，首先对系统做如下测试：根据蓄电池内阻的范围，选取2 mΩ和20 mΩ的电阻来模拟蓄电池的内阻，用本文设计的在线检测仪测量2个电阻，测量结果如表1所示。

表1 模拟蓄电池内阻测量数据

由上述测量数据可知，当使用标准阻值的电阻模拟蓄电池内阻时，其测量结果与标准阻值基本一致，内阻测量绝对误差小于1%，本文设计的蓄电池在线检测仪灵敏度高，可满足实际测量需要。

完成系统的灵敏度检测之后，开始检测实际的铅酸蓄电池来验证系统测量的准确性。测试时选用12 V/100 A h的铅酸蓄电池作为检测样本，利用电压表以及内阻检测仪测出其额定电压为12.52 V、内阻为4.5 mΩ，再利用本文设计的分析仪对其进行检测，共检测8块蓄电池样本，每组样本测量10次后去平均值作为实际检测值，测量数据如表2所示。

表2 8块蓄电池测量数据

由上述测量数据可知，对蓄电池电压的测量十分准确，近似没有误差；对内阻的测量准确度高，误差小于2%，实验证明本文设计的铅酸蓄电池在线检测仪可以有效地检测蓄电池的内阻以及电压等参数，极大提高了检测的效率，具有一定的工程应用价值。

6 结论

本文设计了一种基于STM32的铅酸蓄电池检测仪，采用四端子接线以及交流注入法来测量蓄电池的内阻，减小了导线电阻带来的误差；利用专业电压检测芯片BQ26500实现对蓄电池电压的实时监测。为了验证系统测量的准确性以及稳定性，进行了多次实验进行验证，并把系统测得的参数与标准仪器测得值进行对比，实际测量结果表明该检测仪测量精度高、稳定性好，具有体较小、成本低、便于携带等优点。