摘要：首先指出了傳統(tǒng)的幾種蓄電池剩余容量檢測(cè)方法的缺點(diǎn)：局限性大，計(jì)算困難,，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大等,。接著對(duì)內(nèi)阻法測(cè)量蓄電池剩余容量的方法進(jìn)行了分析,，并給出了具體的實(shí)施方案,，討論了該方案的優(yōu)缺點(diǎn)。最后提出了在高噪聲情況下對(duì)蓄電池剩余容量在線檢測(cè)方法的改進(jìn)方案,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種改進(jìn)方法的有效性,。

關(guān)鍵詞：蓄電池；剩余容量,；在線檢測(cè),；高噪聲

0    引言

    蓄電池剩余容量是用戶最為關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題，它與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān),。蓄電池剩余容量越高,，則系統(tǒng)可靠性越高。因此,，如何在既不消耗蓄電池能量,，又不影響用電設(shè)備正常工作情況下，實(shí)時(shí)地在線檢測(cè)蓄電池剩余容量,，有著重要意義,。

    蓄電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不同負(fù)載條件或不同環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí),，實(shí)際可供釋放的剩余容量不同,；而且隨著蓄電池使用時(shí)間增加，其容量也將下降,。通常是根據(jù)蓄電池的電解液密度來(lái)估算剩余容量的,，該方法有很大局限性：在蓄電池使用后期，隨著正負(fù)極板的腐蝕,、斷筋,，難以準(zhǔn)確推算出剩余容量；同時(shí),，這種方法也難以適應(yīng)目前廣泛應(yīng)用的VRLA蓄電池的在線檢測(cè),。近些年常用的幾種蓄電池剩余容量檢測(cè)方法之中，對(duì)在線使用的蓄電池來(lái)說(shuō),，內(nèi)阻法對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最小,，并可以在蓄電池整個(gè)使用期內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量，因此,，內(nèi)阻法被視為一種比較理想的方法,。但在高噪聲情況下卻發(fā)現(xiàn),，實(shí)際所測(cè)得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，因此,，對(duì)高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測(cè)方法的改進(jìn)勢(shì)在必行,。

1    內(nèi)阻法預(yù)測(cè)剩余容量的實(shí)施方案

    大量研究結(jié)果表明，蓄電池內(nèi)阻與荷電程度之間有較好的相關(guān)性,。美國(guó)GNB公司曾對(duì)容量200～1000A·h,，電池組電壓18～360V的近500個(gè)VRLA蓄電池進(jìn)行過(guò)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，蓄電池內(nèi)阻與容量的相關(guān)性非常好,，相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到88％。隨著蓄電池充電過(guò)程的進(jìn)行,，內(nèi)阻逐步減?。浑S著放電過(guò)程的進(jìn)行,，內(nèi)阻逐步增大,。另外，隨著蓄電池老化,，其剩余容量隨之下降,，內(nèi)阻也逐漸增大。蓄電池內(nèi)阻與剩余容量的典型關(guān)系曲線如圖1所示,。

圖1    蓄電池內(nèi)阻與剩余容量的關(guān)系曲線

    蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時(shí),，其內(nèi)阻相差2～4倍，變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池端電壓變化率（約為30％～40％）,，因此,，通過(guò)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其剩余容量。另外,，對(duì)于在線使用的蓄電池來(lái)說(shuō),，內(nèi)阻法還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)影響最小，可以在蓄電池整個(gè)使用期內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量,。因此,，不難看出內(nèi)阻法最適合于VRLA蓄電池剩余容量的在線測(cè)量。

    內(nèi)阻法預(yù)測(cè)剩余容量的具體實(shí)施方案是：首先,，將蓄電池充滿電（以2V蓄電池為例,，充電至2.23V，浮充電流至10mA）,，然后,，以0.1C的放電率使蓄電池放電，記錄下放電過(guò)程中內(nèi)阻與剩余容量的大小,。當(dāng)蓄電池放電完畢（2V蓄電池放電至1.80V）便可獲得完整的放電曲線,，即剩余容量與蓄電池內(nèi)阻之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,。將此曲線存入蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的FLASHROM中，在以后測(cè)試同型號(hào),、同規(guī)格的蓄電池時(shí),，處理器根據(jù)在線測(cè)試得到的內(nèi)阻值，通過(guò)查表計(jì)算,，得出其剩余容量,。因此，這一方法的關(guān)鍵在于如何在線測(cè)得蓄電池內(nèi)阻,。

    蓄電池內(nèi)阻測(cè)量原理如下：在蓄電池兩端施加一恒定交流音頻電流源I_s,，然后,，檢測(cè)其端電壓V_o以及I_s和V_o兩者之間的夾角θ,。顯然，蓄電池的交流阻抗為Z=V_o/I_s,，而R=Z×cosθ即為我們所要獲取的蓄電池內(nèi)阻值,。其具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。

圖2    內(nèi)阻法預(yù)測(cè)剩余電量的實(shí)現(xiàn)

    圖中300Hz信號(hào)發(fā)生電路由14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器CD4060以及帶通濾波電路組成,，具體電路如圖3所示,。

圖3    300Hz信號(hào)發(fā)生電路

2    高噪聲情況下在線測(cè)量方法的改進(jìn)    

    采用上述方法測(cè)量蓄電池剩余容量具有較高精度，離線測(cè)量時(shí)誤差優(yōu)于7％,。然而在實(shí)時(shí)的在線測(cè)量中,，卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際所測(cè)得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，有時(shí)誤差甚至超過(guò)10％,。是什么原因引起這種誤差呢,？為此，我們對(duì)蓄電池的幾種工作狀態(tài),，即供電正常情況下的浮充狀態(tài),，市電故障情況下的放電狀態(tài)以及逆變器故障時(shí)的狀態(tài)分別進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在逆變器故障情況下,，可以達(dá)到與離線測(cè)試時(shí)近似的精度,。至此，可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的,，為此,，我們嘗試采用低通濾波器（截止頻率為1kHz）的方法來(lái)提高測(cè)試精度，效果并不理想,，可見(jiàn)逆變器的反饋噪聲主要集中于低于1kHz范圍,，因此，在硬件上難以實(shí)現(xiàn),。

    考慮到事先已經(jīng)測(cè)試得到n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值,，因此,，可以在軟件上采用最小二乘擬合的辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。所謂最小二乘問(wèn)題,，就是要找出一個(gè)待定函數(shù)f(x),，使得f(x)與標(biāo)準(zhǔn)值y之差的平方和最小，即

    s=[y_i－f(x_i)]²    （1）

    f(x)的求解過(guò)程如下：首先,，假定f(x)為一個(gè)n次多項(xiàng)式,，即

    f(x)=a₀＋a₁x＋…＋a_nxⁿ=a_ixⁱ    （2）

    然后取出已經(jīng)測(cè)試得到的n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值，設(shè)為y₁,，y₂,，…，y_n,；從而式（1）可以化簡(jiǎn)為

    s=[a₀＋a₁x_i＋…＋a_nxⁿ_i－y_i]²    （3）

    根據(jù)微積分中的極值原理,，欲使式（3）最小，必須使其對(duì)每一個(gè)系數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)為0,，即：

        （4）

    該式中有n＋1個(gè)方程式,，因此，可以求解出n＋1個(gè)未知數(shù),。將式（3）代入式（4）并化簡(jiǎn)可得

        （5）

    最后將測(cè)試過(guò)程中實(shí)測(cè)得到的n個(gè)阻值x₁,，…，x_n與n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值y₁,，y₂,，…，y_n代入式（5）,，就可以確定出a₀,，a₁，…,，a_n共n＋1個(gè)系數(shù),，從而可以得到f(x)。

3    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    以蓄電池參數(shù)和交,、直流電壓為例給出系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果,。測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)表為ESCORT3155A；測(cè)試用蓄電池為南都公司GFM200,，并將其在額定負(fù)載情況下以0.1C放電率恒流放電所得到的容量作為標(biāo)準(zhǔn)容量,；測(cè)試環(huán)境溫度均為18℃。蓄電池剩余容量測(cè)試結(jié)果如表1所列,。

表1    蓄電池剩余容量測(cè)試結(jié)果

    由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,，經(jīng)過(guò)最小二乘法擬和以后，測(cè)量結(jié)果基本接近離線測(cè)量結(jié)果。其精度完全可以滿足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定,。

4    結(jié)語(yǔ)

    蓄電池剩余容量的在線檢測(cè)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性都有著深遠(yuǎn)的影響,。它也一直是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。本文給出了內(nèi)阻法測(cè)量蓄電池剩余容量的具體的實(shí)施方案,，提出了一種在高噪聲情況下對(duì)蓄電池剩余容量在線檢測(cè)的改進(jìn)方案,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種改進(jìn)方法能夠在高噪聲下得到令人滿意的測(cè)量精度。