铅酸蓄电池健康诊断中的内阻测量法应用探究

李建锋 付学栋

摘 要：蓄电池作为信号电源系统的重要组成部分，是电源系统稳定、可靠运行和优质供电的最后保证。蓄电池在信号系统中的作用是荷电待用、平滑滤波、调节系统电压。它既作为电源系统备用电源，又作为启动动力电源，还可以作为交流配电设备操作电源。蓄电池健康检测是迫切需要解决的关键问题。电池在线检测有助于提高使用安全性。介绍蓄电池健康检测的研究，分析电池内阻与健康状态有关，提出基于交流阻抗法的内阻测量法，将低频率交流信号注入蓄电池中，利用串联电路欧姆定律测算电池电阻。

关键词：铅酸蓄电池;健康诊断;内阻测量法

目前，地铁信号电源系统蓄电池设备维护采用计划修的模式，检修周期分为日巡、月检及年检。在设备维护过程中，设备检修质量不仅依据检修执行情况，还依赖于专业维保人员的经验、能力。随着地铁线网建设的快速发展，人员调动频繁，以及新进员工的占比剧增，维保人员对设备前期状况了解程度不够深入，设备健康状况在相邻检修之间空档期处于失控状态。因此，将健康管理的概念与技术应用于电源系统的维护支持中，建立综合维护管理为目标的电源系统健康维护体系，具有重要的意义。VRLA采用阴极吸附技术，在不间断电源系统中应用广泛。通过蓄电池管理可以保障电池容量均匀性，避免意外事故的发生。

1 蓄电池特性及内阻测量分析

铅酸电池具有原料易得等优点，目前人们对其实施改良使其满足蓄电池标准，其发展趋势是提高循环使用寿命等。铅酸蓄电池工作过程是正负极电化学反应，可以用化学方程式表示Pb+HSO4—PbSO4+H—+2e。阻抗分析是电化学研究常用方法，电池阻抗与测试频率有关，电池内阻指固定频率下的阻抗值，测试仪包括用于碱性蓄电池内阻测量与铅酸蓄电池。根据铅酸蓄电池阻抗谱图陪频率段激励信号体出现特性，选用20 Hz正弦波为交流激励信号。通常采用四端子连接方式实现交流阻抗法[2]。四端子连接方式成立条件是测量电流小，设计铅酸蓄电池内阻测量法是转化为测量蓄电池电压问题，可以避免对蓄电池电压及相位差多个参数测量。假定激励信号电压f（t）=Usin（ωt+θ），电池两端电压表达式为fr（t）=Ursin（ωt+θr）。电池内阻r与精密电阻两端峰值电压UR，Ur相关。提出内阻测量法围绕Ur，UR测量展开。

2 蓄电池内阻测量硬件系统设计

根据不同应用场所，控制系统可分为現场可编程门列阵，PLC控制等。FPGA内部包括可配置逻辑模块CBL，内部连接线。设计ASIC电路可得到可用芯片，是ASCI电路设计周期最短的器件之一。FPGA采用高速CHMOS工艺，可与CMOS电平兼容，FPGA存放在片内RAM中程序设置工作状态，用户可根据不同配置模式选择编程方式。PLC是早期继电器逻辑控制系统与计算机技术结合产物，具有编程简单，可靠性高等优点。

目前市场上有很多厂家生产单片机，选择高性价比单片机需从价格，开发工具实用性等方面考虑。8051系列单片机得到广泛应用，PIC等系列采用RISC指令集单片机得到很好的用处。美国Cynal公司推出C8051Fxx系列单片机提高指令运行速度，为单片机提供完善的时钟系统。I/O端口可接收5 V逻辑电平输入，选择端口输出方式在外接加上拉电阻到5 V驱动逻辑器件。研究选用C8051F040单片机为铅酸蓄电池内阻测量控制系统芯片。根据控制系统设计要求构建单片机应用系统，硬件电路包括系统设计扩展与配置，设计合适的接口电路，系统配置设计要选择典型电路，减少开发成本。按功能模块可对单元电路进行设计。

测量系统包括内阻检测模块，RS232通信摸摸看，JATG接口等设计。电源是系统工作的基础，蓄电池内阻测量系统采用220 V市供电源，电压模块包括多个稳压电路，系统需+15，+5，+3.3 V电压满足模块工作[3]。电压提供要避免外界干扰引起电压波动，造成测量结果不确定性。在电路板电压输入引脚处加稳压极性电容100 uF，系统使用AMS1117-3.3为稳压转换芯片。AMS1117系列低压差稳器输出电压1.5 V，2.85 V，输出电流1 A，含静态电流降低电路，过热保护等功能。

内阻检测模块是系统核心部分，激励信号发生单元设计精度较高，考虑C8051F040单片机内置12位AD转换器，设计中未采用其他AD芯片。激励源产生信号纯净度对蓄电池内阻测量非常重要，如何寻找替代信号发生器装置是设计激励信号发生单元考虑因素，选用高精度波形发生器ICL8038，通过设置较少外部元器件，产生0.01 Hz的低频正弦波-300 kHz高精度正弦波。采用先进芯片制造工艺，温度漂移最大不超过250 ppm/℃。

3 系统软件设计实验

目前单片机编程语言中C51使用广泛，相比汇编语言在功能结构等方面具有优势，使用C51可缩短开发周期，C语言是高级程序设计语言，采用C51语言设计单片机系统程序，要采用结构化程序设计方法，较大程序可按功能分为不同模块，指定相应出入口参数，不会引起程序管理混乱，程序设计中利用C51语言预处理命令，常用的TRUE等常数可采用宏定义#define，采用文件包含命令#include加入程序，修改包含文件参量，有利于文件维护。

Keil uVsion3是目前流行的51单片机开发软件，成为C8051F040控制器首选开发软件，提供集成开发环境，uVision，开发应用软件中，编辑汇编等各阶段集成在环境中。系统软件设计要求结构清晰，各功能程序模块化，程序运行实现标志化管理。主要程序模块包括系统初始化程序，键盘处理子程序等[4]。程序采用RS232串口通讯，键盘按键方式可启动AD转换，把电压Ur，蓄电池编号显示在TM12864K液晶显示屏，通过RS232串口通讯与上位机进行信息交换。通过CAN通信方式与其他主控制器交换信息。系统初始化程序包括时钟初始化子程序，ADC0初始化子程序，液晶屏初始化子程序等。

研究重点是信号处理电路，需要不断通过实验验证功能模块精度，内阻测量精度无统一标准，实验采用DLT-B8500铅酸蓄电池监测系统对比验证。示波器采用TDS2000，激励单元产生20 Hz正弦波信号干扰少，满足系统所需激励信号。电池两端响应信号噪声干扰较大，经放大处理后响应信号毛刺较小[5]。将铅酸蓄电池监测系统与测量方法对比，对VRLA电池进行24次独立测量，单次测量结果在10 mΩ内波动，表明单次结果非恒定值。实验测量值为连续10次测量均值。电池为2 V 3 000 Ah的VRLA电池，测量方法采用正弦交流信号幅值为100 mV，精密参考取电阻R为0.5 Ω。给出方法与DLF-B8500测量结果吻合。

4 结语

随着人们环保意识的增强，轨道交通产业蓬勃发展。本文针对地铁铅酸蓄电池健康诊断内阻测量进行研究，结合蓄电池阻抗谱分析结果，提出基于交流阻抗法内阻测量法。设计验证方法测试平台，实现方法硬软件结构，结合使用要求设计软件流程图，增加系统可扩展性。与铅酸蓄电池监测系统对比实验，反映提出内阻测量方法具准确性。城轨交通是未来交通发展方向，目前广泛应用的是铅酸蓄电池，其研究涉及范围广，需要进行深入研究不断完善，提高系统整体品质。

参考文献：

[1]臧鑫善.蓄电池健康状况多参数监测系统研究[D].南京邮电大学，2019.

[2]刘微.基于特征优化与混合核函数SVM的蓄电池SOH监测系统[D].华中师范大学，2017.

[3]李旭茂.后备蓄电池在线监测与活化系统的设计与实现[D].湖南大学，2017.

[4]李韦韦.阀控式密封铅酸蓄电池远程诊断与维护系统研究[D].东南大学，2015.

[5]李涛.变电站用阀控式密封铅酸蓄电池监测系统研究与设计[D].湖南大学，2015.