高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進

摘要：首先指出了傳統(tǒng)的幾種蓄電池剩余容量檢測方法的缺點：局限性大，計算困難，對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大等。接著對內(nèi)阻法測量蓄電池剩余容量的方法進行了分析，并給出了具體的實施方案，討論了該方案的優(yōu)缺點。最后提出了在高噪聲情況下對蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進方案。實驗結(jié)果證明了這種改進方法的有效性。

關(guān)鍵詞：蓄電池；剩余容量；在線檢測；高噪聲

引言

蓄電池剩余容量是用戶最為關(guān)心的一個問題，它與整個供電系統(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，實時地在線檢測蓄電池剩余容量，有著重要意義。

蓄電池是一個復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，它在不同負載條件或不同環(huán)境溫度下運行時，實際可供釋放的剩余容量不同；而且隨著蓄電池使用時間增加，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，隨著正負極板的腐蝕、斷筋，難以準(zhǔn)確推算出剩余容量；同時，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。近些年常用的幾種蓄電池剩余容量檢測方法之中，對在線使用的蓄電池來說，內(nèi)阻法對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最小，并可以在蓄電池整個使用期內(nèi)準(zhǔn)確測量，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)，實際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，因此，對高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進勢在必行。

1 內(nèi)阻法預(yù)測剩余容量的實施方案

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[1][2]。美國GNB公司曾對容量200～1000A·h，電池組電壓18～360V的近500個VRLA蓄電池進行過測試，實驗結(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)可以達到88％。隨著蓄電池充電過程的進行，內(nèi)阻逐步減小；隨著放電過程的進行，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。

蓄電池完全充電（充滿）和完全放電（放完）時，其內(nèi)阻相差2～4倍，變化率遠遠大于蓄電池端電壓變化率（約為30％～40％），因此，通過測量蓄電池內(nèi)阻可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測其剩余容量。另外，對于在線使用的蓄電池來說，內(nèi)阻法還有一個突出優(yōu)點是對系統(tǒng)影響最小，可以在蓄電池整個使用期內(nèi)準(zhǔn)確測量。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量。

內(nèi)阻法預(yù)測剩余容量的具體實施方案是：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，在以后測試同型號、同規(guī)格的蓄電池時，處理器根據(jù)在線測試得到的內(nèi)阻值，通過查表計算，得出其剩余容量。因此，這一方法的關(guān)鍵在于如何在線測得蓄電池內(nèi)阻。

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

圖中300Hz信號發(fā)生電路由14位二進制串行計數(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

2 高噪聲情況下在線測量方法的改進

采用上述方法測量蓄電池剩余容量具有較高精度，離線測量時誤差優(yōu)于7％。然而在實時的在線測量中，卻發(fā)現(xiàn)實際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意，有時誤差甚至超過10％。是什么原因引起這種誤差呢？為此，我們對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)以及逆變器故障時的狀態(tài)分別進行了測試，發(fā)現(xiàn)在逆變器故障情況下，可以達到與離線測試時近似的精度。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）的方法來提高測試精度，效果并不理想，可見逆變器的反饋噪聲主要集中于低于1kHz范圍，因此，在硬件上難以實現(xiàn)。

考慮到事先已經(jīng)測試得到n個標(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行數(shù)據(jù)修正。所謂最小二乘問題，就是要找出一個待定函數(shù)f(x)，使得f(x)與標(biāo)準(zhǔn)值y之差的平方和最小，即

f(x)的求解過程如下[3]：首先，假定f(x)為一個n次多項式，即

然后取出已經(jīng)測試得到的n個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值，設(shè)為y1，y2，…，yn；從而式（1）可以化簡為

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

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

最后將測試過程中實測得到的n個阻值x1，…，xn與n個標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值y1，y2，…，yn代入式（5），就可以確定出a0，a1，…，an共n＋1個系數(shù)，從而可以得到f(x)。

3 實驗結(jié)果

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

表1 蓄電池剩余容量測試結(jié)果

由實驗結(jié)果可以看出，經(jīng)過最小二乘法擬和以后，測量結(jié)果基本接近離線測量結(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

蓄電池剩余容量的在線檢測對整個供電系統(tǒng)的可靠性都有著深遠的影響。它也一直是國內(nèi)外研究的一個熱點和難點問題。本文給出了內(nèi)阻法測量蓄電池剩余容量的具體的實施方案，提出了一種在高噪聲情況下對蓄電池剩余容量在線檢測的改進方案。實驗結(jié)果證明了這種改進方法能夠在高噪聲下得到令人滿意的測量精度。