蓄电池内阻测量方法及应用

2021-04-14高振楠李安庆

通信电源技术 2021年22期

高振楠，杨威，李安庆

（安徽邮电职业技术学院通信工程系，安徽合肥 230031）

0 引言

蓄电池作为通信电源系统的备用直流电源，对通信电源的可靠供电有着举足轻重的作用。当发生交流停电或者整流模块故障时，蓄电池通过直流配电屏直接为通信设备提供直流电源，以保证通信网络仍然能够正常运行。目前，通信电源广泛使用阀控式铅酸蓄电池，使用过程中不需要额外加水，日常只需做简单的清洁测试维护，而且电池寿命长，不会污染环境，适应各种不同的温度使用。但蓄电池经过长时间使用，也会出现各种蓄电池故障[1]。为了能够及时发现故障，必须实时掌握蓄电池运行参数。目前，通信蓄电池实时监测系统能够在线查看电压和电流的大小，但是其内阻并没有纳入系统监测。

研究认为，监测蓄电池电压大小不能科学准确地判断蓄电池的状态，甚至会产生误判。因此，为了更好地监测蓄电池状态，必须对蓄电池内阻进行监测。电池内阻的大小取决于内部电解质、正负极板材料以及极柱隔板等，电池各种故障类型，如电池极板腐蚀、电池硫酸盐化、失水等也都会引起电池内阻发生不正常的变化。内阻是反映蓄电池的有效参数，能够分析容量大小，作为故障判断的重要参考，测试内阻的大小能够判断蓄电池是否正常[2]。内阻测试的精确度对掌握蓄电池具有较大的意义。

蓄电池内阻值能够反映容量的大小。通常，随着电池老化，电池剩余容量越小，电池内阻逐渐变大。实验证明，蓄电池内阻值超过标准值的25%左右时，蓄电池会严重劣化。通过建立容量与内阻的关系，测试内阻即可掌握蓄电池的容量大小。当容量降低20%以上时，蓄电池性能急剧劣化，放电能力快速下降，会引起整组蓄电池损坏。

蓄电池要保持均衡状态才能最大限度地延长使用寿命。影响均衡的主要因素有电解液的密度、原材料的杂质、隔板吸酸饱和度以及电解液的数量等，因此同组的蓄电池特性参数不可能达到完全一致。蓄电池组处于串联状态，在浮充电流恒定时，由于电池内阻大小不同，电池电压也不一致，内阻大的蓄电池端电压高，而内阻小的蓄电池端电压低。因此，检测蓄电池内阻，确保内阻的一致性，才能确保电池均衡[3]。

1 蓄电池监测方法分析

1.1 蓄电池内阻

电流流过蓄电池内部所受到的阻力称为内阻。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻。为了分析蓄电池状态，通常采用如图1所示的蓄电池模型。

图1 蓄电池电路模型

图1的蓄电池模型中，R1为蓄电池欧姆电阻，R2为蓄电池极化电阻，C2为电极双电层电容，E为蓄电池电动势。

1.2 交流测量法

蓄电池提供直流电，通常在分析回路时将其视为有源回路，在直流回路的基础上加载交流信号能够分析电路特点。根据原理的不同，交流测量法可以分为交流放电法和交流注入法。

交流放电法测试电阻的思路是组成交流放电回路，在蓄电池回路中串联交流负载，负载大小可以调节，通过测试蓄电池端电压和电流，即可得到蓄电池内阻值。实验证明，频率为3 Hz的电流工况下蓄电池内阻值准确可靠，基本反映真实内阻值。放电时的电压波形如图2所示，放电时的电流波形如图3所示。

图2 放电时的电压波形

图3 放电时的电流波形

通过同步放大电路和A/D变换电路测试电压和电流，通过计算得到电压的有效值U和电流的有效值I，通过R=U/I可得蓄电池的内阻值。

交流放电法的优点是不会影响直流供电回路的正常工作，测量电流比较小，一般为2～5 A，不会损害蓄电池。缺点是交流放电法的测试状态与蓄电池工作状态不同，蓄电池正常放电时放出直流电，测量结果与蓄电池容量的误差较大。

1.3 交流注入法

交流注入法的实现思路是将蓄电池看作含直流源的有源电阻，在蓄电池测试电路中加载交流电流，原理是当使用受控电流时，蓄电池两端的电流为：

蓄电池两端产生的交流电压为：

式中，θ为相角。

测试交流电流和电压的大小，可以得到复阻抗，即为内阻，其模为：

交流注入法的优点是交流电流直接作用于蓄电池内阻引起交流电压的变化，测量精度高。选择适当的交流电流频率能够降低充电谐波干扰，且交流激励不受放电电流和直流浮充回路的影响，对电池没有显著的损害和冲击[4]。缺点是会受到注入频率的影响。内阻检测装置的频率不同，测试的内阻值也不同，内阻和频率的关系为：

式中，f为测试信号频率。

交流注入法对直流系统会产生一定影响，实时测试时，不仅会受到直流充电机产生的谐波干扰，造成测试误差，而且加载在蓄电池的交流量会在系统内产生纹波干扰。此外，交流注入法只能够测试蓄电池的静态内阻，无法真实模拟蓄电池的实际工作状态。同时在直流系统中叠加交流信号会引起保护系统告警，所以实际监测设备中不采用交流注入法。

1.4 直流测量法

1.4.1 两点测定法测电池内阻

测试内阻原理如图4所示，对蓄电池进行充分充电直至充满后，在20～25 ℃环境条件下，通过两次测定电压和电流的方法得到直流电阻值。第一次测量(U1,I1)以电流I1=4×I10放电20 s,测试端电压为U1值，间断5 min。第二次测量(U2,I2)以电流I2=20×I10放电5 s，测试端电压为U2值。通过计算得出内阻Ri=(U1-U2)/(I1-I2)。

图4 蓄电池放电特性曲线

两点测定法不能实现蓄电池组的在线测试，并不适合测试通信电源系统蓄电池。

1.4.2 直流瞬间放电法

直流瞬间放电法是在蓄电池回路中串入直流负载，电路中加载固定大小的电流（I），通过测量，负载连通时和断开后的电压差为：

计算内阻值为：

该方法的依据是蓄电池断开负载后电压回升的基本性质[5]。

实践证明，如果测量时间小于1 ms，则所得到ΔU值保持不变，其主要是由欧姆内阻产生。蓄电池电压电流特性曲线如图5所示，用示波器测得0～1 s冲击放电电流It和放电瞬间电压Ut。以70 A电流使蓄电池放电，放电持续3.25 s，放电完毕断开负载，待放电电压稳定后，测试瞬间断电电压差△U和电流I，根据欧姆定理可以得到内阻R值是375 μΩ。

图5 蓄电池电压电流特性曲线

直流瞬间放电法优点如下：一是测量过程采用负载放电模式，符合蓄电池正常工作的运行状态，能够真正模拟蓄电池实际状态，检验蓄电池放电情况和负载能力；二是测量精度高，测量数据稳定、精确，能够精确测量毫欧级的参数变化，而且测试电流越大，测试精度越高；三是有很强的抗干扰性，不受高频充电机谐波的影响，不产生其他附加信号，能够精确测量直流参数，适用于高噪声设备中进行蓄电池实时内阻测试；四是蓄电池等效电容大，根据电容具有通交流阻直流的特性，测试蓄电池内阻不受到蓄电池等效电容的影响[6]。直流瞬间放电法是铅酸阀控蓄电池在线内阻监测的准确有效方法。

2 基于直流瞬间放电法测试内阻的蓄电池监测应用方案

直流瞬间放电法能够最大限度反映蓄电池的特性，能够精确维护蓄电池，实现自动化监测，更加适合通信蓄电池维护。基于直流瞬间放电法的电池测试装置可以在线测量每个蓄电池的温度、电压以及电阻等参数，生成图表分析蓄电池状态，维护人员能够动态掌握蓄电池参数，如蓄电池指标超出正常范围，系统能够产生报警信号，及时进行故障处理[7]。

电池测试装置具备以下功能：一是能够实时测试内阻大小，避免蓄电池在线运行影响测量准确度，通常蓄电池浮充电流一般在8 A左右，为了消除浮充电流的影响，同时保证电压降足够大，能够精确测量电压差，放电电流大小保持在50～70 A；（2）能够掌握蓄电池测试持续时间，确保测试期间电压逐渐稳定。蓄电池接入负载进行放电时，刚开始2 s内电压下降，测得的电压值称虚电压，放电2 s后电压趋于稳定，测试时避免蓄电池虚电压的影响，排除电流和电压下降时的交流分量，保证测试值是直流电阻[8]。

直流瞬间放电法监测装置不仅能够自动监测电池组的电压和环境温度，而且能够自动测试并存储电池内阻。电池测试装置的基本组成有电压监测模块、内阻测试模块以及温度测试模块等，负责采集数据和系统控制。前面板上通过USB接口与计算机串口相连，实现与计算机互连，后面板上通过RS485接口与局域网互连。

2.1 蓄电池电压监测模块

蓄电池电压采集电路如图6所示，采用多路开关控制，控制信号由控制单元发出。信号采集端串联多路电阻，电阻能够控制采样电流保持在一定范围，而且当采样电路出现短路故障时，能够大大减小短路电流。带通滤波电路的作用是滤除蓄电池充电回路的纹波，依据输出波形的要求选择合适滤波电路元器件。由于采集的交流信号较小，控制器的采集范围通常为0～3 V，因此需要电压提升电路，最后在控制单元中采用一定的算法还原信号，由傅里叶变换即可算出电压和电流信号[9]。

图6 电压采样电路

2.2 蓄电池内阻测试模块

蓄电池内阻测试模块的主要功能是测试内阻的大小，因为测试内阻时必须进行单次大电流放电，所以在电路中要增加控制电阻负载模块。内阻测试模块后面板分别有一个接口，通过电缆与电池监测模块互联。电阻负载模块同时具有告警功能，当系统发生告警时，能够禁止进行电阻测试。告警功能包括负载输入电压过高、负载线错误、温度超高以及温控敏感器失常等。

2.3 蓄电池温度测试模块

温度对蓄电池工作的影响非常大。蓄电池工作的标准温度为25 ℃，通常处于浮充状态，温度过高时蓄电池内阻减小，引起工作电流升高，而随着蓄电池温度的进一步提高，将减短蓄电池寿命。

温度测试模块选择负温度系数（Negative Temperature Coefficient，NTC）热敏电阻，其采集的温度区间为-55～200 ℃，能够满足蓄电池测试要求。热敏电阻的阻值大小随着温度变化而变化，将热敏电阻与电阻串联接入5 V电压，测量热敏电阻电压即可得到热敏电阻大小，从而测算蓄电池温度。图7为温度信号采集电路，因为测试温度大小之前要采集电压信号，所以首先要有采样保持电路。模块通过微控制单元（Micro Control Unit，MCU）的输入/输出（Input/Output，I/O）端口控制采样保持电路的通断，完成信号处理的功能，测得电压后换算为温度值[10]。