蓄电池检测方法的研究与改进措施探讨

2021-09-10渐彬彬

中国设备工程 2021年16期

渐彬彬

（国家锂电池产品质量监督检验中心（山东），山东枣庄 277800）

目前，蓄电池检测和监控始终是研究工作热点与难点，通过检测可完成均/浮充方式的转换、测试电池体温度、在线检测剩余电量、检出落后电池、测试单体端电压测试等任务。由此可见，对蓄电池检测方法的深入研究与分析十分有必要。

1 蓄电池组成部件阐释

（1）极板（核心部件）被称为蓄电池“心脏”，主要包括正极板与负极板两部分。（2）隔板，即电解液载体，可对电解液进行吸收，可实现离子扩散目的。尤其是密封免维护的蓄电池，隔板能够更好地创建氧循环，使水损失减少。通过地超细玻璃纤维的使用，即可达到隔板式蓄电池免维护目的。（3）电解液，组成包括纯水和硫酸，将部分添加剂混合后配入其中。（4）安全阀，为组成蓄电池的重要部件，在蓄电池的顶部。安全阀的作用主要体现在安全方面、密封方面、防爆方面，同时，还可保证其内压正常。

2 在线检测蓄电池剩余容量

2.1 预测剩余电量常用方法

（1）开路电压方法。蓄电池的电解液密度会影响其荷电的程度，通过N.RST程的应用，可准确描述电解液与电池电动势存在的联系。因而只要测量其开路电压，即可对其剩余电量进行推算。

（2）电导测量，在蓄电池的两端增加交流电压信号，在明确振幅和频率的基础上，准确测量同电压相位交流电数值。而电池电导则需要将交流电分量与交流电压进行比值计算获取。电导，就是以频率为主要对象的函数关系，在测试频率不同的情况下，电导数值也有所差异。如果频率偏低，那么电池的电导与容量的相关性则较为良好，测量所得频率要控制在20～30Hz范围内。如果电池的容量较大，则频率需比10Hz低。

（3）密度蓄电池的剩余电量与内部电解液密度之间的关联紧密，而电解液的密度受氧化铅、硫酸铅与铅三方面的直接影响。为此，在对电解液密度值测量后，就能够间接对剩余电量进行推算。

（4）定时放电法。将负载施加在蓄电池中，并对单位时间电池端电压的变化率进行计算，以此为依据对剩余电量进行推算。如果变化量偏小，即表示电池的剩余电量较大，相反则较小。

（5）温度测量法。在电化学反应吸热与放热以外，电池有内阻，因而在充放电时，在电流经过的情况下其内部会产生热量，致使电池温度改变。若电流条件相同而电池内阻不同，其内部热量也有所差异，因而电池温度也有所不同。

（6）内阻法。根据既有研究结果可知，电池内阻和荷电程度关联性极强。且国外公司以200～1000Ah容量的电池为研究对象，在电池组电压在18～360V的状态下开展了一系列的VRLA电池。根据实验结果分析发现，内阻会直接影响电池的容量，且相关系数为88%。为此，测量电池内阻后也能够对剩余电量进行相对准确预测。一般来讲，蓄电池在处于完全充电与放电的状态下，内阻变化率应当比电池端电压的变化率更高，因而在测量蓄电池的内阻后，即可对剩余电量进行预测，其精确度远远高于开颅电压方法。

2.2 内阻法对剩余电量的预测

在预测蓄电池剩余电量的时候对内阻法进行运用，步骤体现在：要求蓄电池处于满电状态，研究中选择使用的是2V蓄电池，其电压是2.35V，浮充电流是10mA。在放电率处于0.1C的情况下放电，在此期间要仔细且准确地记录内阻和电量情况。在完成放电后，蓄电池的电压降低至1.75V，此时可以获得放电曲线，进而掌握蓄电池剩余电量与蓄电池内阻之间存在的联系。将EPROM存入曲线，并测试型号和规格相同的蓄电池。将在线测量的蓄电池内阻数值当作参考，在对表格数据查对后即可对蓄电池的剩余电量进行计算。因而，测量蓄电池内阻的过程中，可将此方法作为首选。而测量原理为：在蓄电池两端施加恒定交流音频电流源，并检测电池端的电压、IS和电压，以此了解三者关系，即和R=Zcosφ，也就是所需测量的电池内阻值。以图一为例，300Hz信号发生器的组成包括低通滤波电路和14位二进制串行计数/分频器CD4060。而恒流功放选择使用可音频功率放大器，其功率达到4W。

图1 内阻法预测剩余电量路径

3 测量蓄电池单体电压

根据《通信电源与空调集中监控系统的技术要求》内容可知，蓄电池检测装置应具备测量各个电池单体电压的功能。在串联蓄电池后即可为通信设备供电，且各蓄电池对地电位有所差异，最高共模电压一般在60V，若选择使用普通A/D转换器与多路模拟开关很难承受。对蓄电池单体电压测试的基本原理（图2）为：继电器闭合至A区，并完成电解电容的充电。在要对蓄电池电压进行测量的时候，即可闭合继电器到B侧，使得电解电容和蓄电池隔离。由于电解电容使电池始终具备电压信号，因而通过测量电解电容电压就能够对蓄电池电压形成一定掌握。而且，此测量手段所使用的器件并不昂贵，而且原理十分简单，实际造价也不高。

图2 传统单体电压测试方法

针对以上情况，可借助两片高差模增益放大器完成硬件直接相减电路的设计，其中，选用ICL7650作为运算放大器，使得同相和反相输入端的电位相相同，等同地电位，能够使运算放大器电阻处于平衡状态。

4 测量蓄电池单体温度

VRLA蓄电池标志性参数就是其体温度，会直接影响其剩余容量和工作寿命。在测量蓄电池体温度的时候，此研究中选择使用了数字式温度传感器，其温度测量范围宽泛且读数稳定，能够和单片机连接，而且测温的分辨率在0.5℃。若在软件调整后，可使得分辨率提高0.1℃，因而适用于测量蓄电池单体电池的温度，且效果突出。

4.1 测温基本原理

为确保温度测量精准度的不断提高，不仅要了解数字式温度传感器所能够直接读取温度数值，与此同时，还应了解此温度下计数器数值与每增加1℃的数值。非线性累加器电路可有效补偿温度振荡器非线性情况，使得温度测量的精准度不断提高。通过对单片机的应用对数字式温度传感器进行控制，并且将修正温度的读取数值直接转换成十进制。随后对非线性累加器内的数值进行读取，将其当作此温度条件下各摄氏度计数数值。在确定上述参数后，即可借助相应公式计算出精度是0.1℃的实际温度值。

4.2 基于软件发的0.1℃测温分辨率

结合上述分析，经软件编程后即可通过单片机对数字式温度传感器进行控制，以达到0.1℃的测温分辨率，而实现的步骤为：（1）将“写配置”指令发送后实现数字式温度传感器的初始化，并设置成单次温度转换形式和处理器控制状态，具体的指令是0CH和03H。（2）将“开始转化”指令发送出去。（3）将“读配置”指令发送后获取状态寄存器数值。在重复此指令后，确保DONE是“1”。（4）将“读取温度”指令发送出去，以有效转换温度寄存器数据，实现整数计算目的。（5）将“读计数器”指令发送出去，并借助计数器读取9比特值。（6）在计数器中读入非线性累加器内的数值，进而实现外部单元和数字式温度传感器的无数据交换目标。（7）对“读计数器”指令进行重新发送，并对此时的计数器数值进行读取。（8）根据公式对温度数值进行精确计算。