铅酸蓄电池多参数在线检测系统的设计

杨 杰，唐 炜，麦志辉，王 瑞，檀三强

(1.江苏科技大学机械工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏银佳电子设备有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引言

阀控铅酸蓄电池作为一种久经考验的能量存储工具，具有放电性能好、稳定性高和应用范围广的优势，在应急电源(EPS)中占有很大的比重。在铅酸蓄电池组中，蓄电池单体的内阻以及荷电状态均不相同；根据木桶效应，电池组中容量最小的电池充满后，整个电池组就会处于浮充状态，在这样长期充电不均衡的累积作用下，电池会严重受损。此时，如果不能及时筛选出劣化的电池，严重时可能会发生燃烧和爆炸[1]。因此，需要对电池的健康状态进行估计，实现电池的健康监控并及时更换劣性电池。

李艳等[2]提出蓄电池的健康状况SOH可以通过测量电池的内阻来进行判断，蓄电池的内阻大小可以用来区分劣化电池。目前，主流内阻的检测方法有2种：交流注入法和直流放电法。白海霞[3]提出的直流放电法是使用大于60 A的放电电流流过负载，并测量放电起始与终止时刻的瞬时电压变化，通过两者比值计算内阻值。然而，由于直流注入法的瞬时大电流放电会对蓄电池造成较大的损害，并可能导致继电保护装置误动作。基于上述考虑，本文设计的系统使用交流注入法测量蓄电池的内阻，检测时传感器向电池注入一个交流激励信号，通过测量电池两端产生的响应电压信号，从而计算出电池的内阻值。

交流注入法虽然测量方法简单，但易受到噪声的影响。因此，本文在现有交流注入法的基础上做出改进，加入硬件、软件多重滤波，并通过加入程控放大电路，实现内阻测量量程的自动换挡。此外，本文在内阻检测的同时，对电池温度、电压进行测量；通过Modbus-RTU协议实现单体传感器的组网通信，并加入蓄电池异常预警机制，做到故障电池及时筛选替换。

1 检测原理分析

1.1 内阻检测原理

在测量电池内阻之前，需要对电池的模型进行分析，电池的模型建立是通过引入外特性模型来描述电池的伏安特性关系。目前，铅酸电池的模型等效电路有主要有Thevenin模型、二阶RC模型和GNL模型等[4]，简单的模型不能很好地描述电池的特性，过于复杂也不利于工程应用。为了更好地观察电池内阻的变化，本文选用GNL模型，建立了如图1所示的等效电路。

图1 蓄电池GNL内阻模型

图1中,E为恒压源；Ro为欧姆内阻；Rs为自放电或过充电内阻；Rp和Cp分别为为浓差极化内阻和电容；Re和Ce分别为为电化学内阻和电容。

交流注入法的测量原理是在电池两端注入一定频率的交流激励信号，激励信号进入电池后，通过电池两端产生响应信号计算内阻值。此时的激励信号可以作2种假设：

假设使用恒流电流激励，ΔI=Imaxsin(2πft)，电池的两端产生的电压响应信号为

ΔV=Vmaxsin(2πft+φ)

(1)

若使用恒电压激励，ΔV=Vmaxsin(2πft)，电池相应产生的电流响应为

ΔI=Imaxsin(2πft-φ)

(2)

在2种假设下，蓄电池的阻抗均为

(3)

综上所述，通过向电池注入一个恒定交流电流信号，电池两端会产生电压响应信号，对电池反馈的电压信号进行测量，即可计算出蓄电池的内阻值。

2.2 蓄电池其余参数采集

蓄电池在使用过程中，由于内部结构发生化学变化、电子迁移等原因，蓄电池的温度会升高。在电池检测过程中，通过测量蓄电池负极极柱温度的变化，可以更加准确地分析蓄电池的状态[5]。

文献[6]中提出,蓄电池的端电压和蓄电池的剩余容量存在线性关系,通过测量蓄电池两端电压可以推断电池的剩余容量SOC，电压越高，剩余容量越高。因此传感器通过收集电池的端电压，可以推断出蓄电池的剩余容量变化。

2 系统总体设计

蓄电池检测系统组成如图2所示，单个传感器可以检测蓄电池的内阻、电压、温度数据；通讯模块使用RS-232通信方式将传感器收集的数据按照电池编号发送到数据集中器，数据集中器将数据按照Modbus通信协议发送到上位机存储起来，实现对蓄电池单体内阻、电压、温度数据的实时采集、存储与处理。

图2 系统架构

2.1 通信系统建立

该蓄电池检测系统设计了数据集中器模块，用于收集传感器采集的数据，简化了数据汇总过程。传感器模块收到测试指令后，实时将当前测得的内阻、电压、温度结果通过RS-232通讯上传至数据集中器，传感器使用RS-232通讯端口与数据集中器连接，并在通信电路中加入了光耦隔离电路，将传感器模块与数据集中器进行光电隔离，避免由于监控系统中某个模块故障而对其他元器件产生连锁破坏，数据集中器将收集到的数据用RS-485上传至上位机保存。通过设计数据集中模块，可以支持多台传感器同时进行检测，数据汇入到数据采集器中后，通过Modbus通信协议打包发送给上位机。

2.2 蓄电池异常预警机制

蓄电池的内阻与电池端电压以及剩余电量SOC都存在一定关系，文献[7]中提出在蓄电池整个放电周期内，蓄电池的容量与端电压以及内阻都具有良好的线性关系，蓄电池的剩余电量越小，内阻越大，并且蓄电池的SOC可以通过蓄电池的端电压估算[8-10]。根据上述三者关系，本文设计了一种蓄电池预警机制，系统通过软件预警，不需要额外增加硬件，通过在传感器端、数据集中器和上位机三处监测异常电池数据，做到数据层层监控。

通过对不同健康状况的电池进行检测试验后，发现如下经验：在浮充状态下，电池老化严重后，电池内阻急剧增大，电压略微下降，当两者相乘超过正常值后，判定为异常电池。传感器会将异常数据通过RS-232发送给数据集中器，数据集中器汇总后，将异常值打包给上位机，上位机通过建立异常数据档案，通知维修人员第一时间进行故障排除。通过这个简易方法能够大概计算出蓄电池的健康状况，及时排除电池组中的劣化电池。

3 关键电路设计

3.1 内阻检测硬件设计

在测量内阻时，应采用四端电阻测量法，即用2条引线向电池提供激励信号，用另外2条引线测量电池产生电压降。通过这样的方式，能够避免引入导线内阻造成测量误差，并使电流输出电路与测量电路相分离。

交流注入法需要产生交流激励信号，本文设计的交流恒流源电路如图3所示，该电路使用LM1875集成功率放大器，在±12 V电压下，最高能输出2 A电流，该电路由三部分组成：U10和U11构成的电压跟随电路和U12构成的电流输出电路。

图3 交流恒流源电路

由电压跟随电路特点可知，LM1875的正向输入端电压与正弦输出幅值相等，根据虚短和虚断的原理，可得

(4)

式(4)表明，输出的电流大小仅与输入的正弦信号幅值以及R39有关，由于单片机输出正弦信号幅值是一定的，所以通过改变电阻R39大小，可以得到所需要大小的恒流源。

图3中电路使用了OP07搭建了2个电压跟随电路，其中 U10起到隔离保护芯片的作用；同时，使用U11构成的电压跟随电路，保障了输出电流全部注入到电池，使输出的恒流效果更好。

在实际测量中，发现蓄电池的反馈电压信号为毫伏级微弱信号，如果直接对其测量，则待测信号会淹没在噪声里，因此首先需要对响应电压信号进行滤波处理信号，由于注入的激励信号为1 kHz交流信号，电池两端的响应信号应为同频率交流信号，蓄电池本身有12 V直流电压信号，故设计如图4所示的二阶高通无源滤波电路。该电路去除电池中直流信号的同时隔绝了信号中的低频信号。

图4 二阶高通无源滤波电路

滤波后的信号被送入如图5所示的一级运放电路中，运放采用AD620仪表放大器，同时使用MCP41100设计有程控放大电路，通过单片机控制数字滑动变阻器的阻值，实现内阻检测量程的自动调节。

由于此时输入电压有负电压成分，而单片机ADC只能采集0～3.3 V电压，所以在图6所示的二级放大整流电路中需要加入半波整流，使最终输出信号转为直流电压信号。

图5 一级放大电路

图6 二级放大整流电路

3.2 端电压的检测

蓄电池的实际电池电压可能高达15 V，而单片机的ADC处理范围是0～3.3 V。因此，设计如图7所示电压电测电路，电路应用精密电阻分压的原理，将电阻分压后的电压送入由OPA4171构成的电压跟随电路，电压通过运放后使用BAS70-04TL1对输出端进行保护，使输出电压不大于3.3 V，预防由于电压过大损坏单片机芯片。

图7 电压检测电路

3.3 温度检测

蓄电池的温度通过NTC热敏电阻进行测量，温度检测电路如图8所示，检测原理和测量电压类似，利用电阻分压的方式，测量热敏电阻两端电压Ut，根据电压值Ut反推可得热敏电阻实际阻值Rt。

图8 温度检测电路

测量所用的热敏电阻为负温度系数的NTC热敏电阻，其在25 ℃下阻值为10 kΩ。由于热敏电阻的阻值与温度不是线性关系，本文使用MATLAB中的polyfit函数进行曲线拟合，该函数基于最小二乘法曲线拟合原理，从图9中MATLAB的拟合结果可以看出，一阶与二阶拟合出的曲线偏差较大，三阶曲线与真实曲线在10～20 ℃之间偏差较大，而四阶曲线偏差较小。由此可见，拟合阶数越高效果越好，但是过高的拟合阶数会使程序计算量会增大，加重单片机的负担。因此，在程序中采用分段查值的方法，根据不同的温度范围，选用对应区间段较精确的拟合曲线公式进行温度计算。

图9 NTC热敏电阻温度阻值曲线

4 实验分析

本系统使用单个传感器测量单体电池参数，传感器主要技术指标如表1所示。

表1 传感器技术指标

实验1使用标定5 mΩ四脚引线分流电阻进行精度测试，实验通过对标定5 mΩ电阻进行10次重复测试，测量结果如表2所示。

通过表2数据可以得出，本文设计的传感器内阻检测相对误差在1.4%以内，精度满足日常监控的要求。

表2 传感器对标定5 mΩ内阻的检测值

实验2使用圣阳100AH铅酸蓄电池进行测试，环境选取在25 ℃恒温环境进行。在实验前，为了降低电池放电极化对测试结果的影响，需要先将充满的铅酸蓄电池静置2 h。实验通过电子负载仪对电池进行0.1 C(10 A)的恒流放电，每放电1 h后将电池静置20 min，然后对电池做一次内阻和电压检测。实验使用自制传感器与深圳佳佳讯电子公司生产的JX-008高精度内阻测试仪进行内阻对比测试，JX-008内阻检测仪内阻精度达到±0.1 mΩ，具有很高的参照价值；电压使用优利德四位半万用表UT71e进行对比测试，检测的结果如表3所示。

表3 内阻-电压测试结果

通过对表3中数据进行汇总，得出结果如图10所示。

图10 100 Ah蓄电池内阻-电压检测对比结果

由图10可知，随着铅酸电池放电深度的增加，蓄电池的内阻呈增大趋势，容量越低，内阻增长速度越快。由图10中电压-时间曲线可以看出，电池端电压在放电放电初期和末期变化较大，中间电压下降较慢。传感器通过收集蓄电池的端电压，可以估算出此时的电池剩余电量值。

由表3对比数据可知，本文设计的铅酸蓄电池检测仪可以实现对蓄电池内阻的准确检测，并且与高精度检测仪相对误差在0.89%以内，能够满足铅酸蓄电池定期检测工作的需求。

4 结束语

本文设计的蓄电池多参数检测系统包括对电池内阻、温度、电压的测量，并设计了数据集中模块对收集到的数据进行打包发送，避免了使用单个传感器测量时数据汇总困难的问题。在高精度检测电池参数的同时加入了异常数据预警机制，做到异常数据层层监控。为了验证传感器检测的精度，实验通过与高精度电池检测仪进行对比，对内阻进行了对比测试。实验结果表明，本文设计的蓄电池检测传感器具有较高的检测精度，能完成日常监测工作的需求，具有检测精度高、性价比好的优点。