基于直接采样相移法的蓄电池内阻测量

刘险峰，王裕林，杨海峰，李晓梅

（中国人民解放军65043部队，吉林 长春130022）

0 引 言

在UPS电源系统和通信电源系统供电中断时，备用蓄电池组是通信系统能稳定可靠运行的最后保障。如何科学有效地对蓄电池进行维护管理是保障蓄电池性能稳定的关键。通过采用在线式阻抗监测技术，及时准确地发现蓄电池存在的隐患，并及时更换蓄电池，能有力保证设备安全稳定运行［1，2］。内阻作为一个真实存在的物理量，与蓄电池性能有更为紧密的相关性，大量实验数据证明：在电池寿命期间内，其实际容量的单调下降，总是伴随着内阻的单调上升，在同一条件下测量比较内阻的变化可以对电池性能提供预警信息，这一结论也得到了资深专家的认可［3］。因而，现代通信电源监控系统对蓄电池内阻检测提出了更高的要求，需要实时在线检测，这为我们提出了新课题。

1 交流法测量蓄电池内阻的基本原理

图1所示为交流法在线测量蓄电池内阻的原理［4，5］，图中 Rs为电流采样电阻，C为隔直流电容。对电池组注入一个低频交流电流信号，测出单体电池两端的低频交流电压Uo（i）和流过的电流Is以及两者的相位差，如图2所示。根据

计算出电池的内阻。

图1 交流法内阻测量原理

图2 Is和Uo之间的相位关系

交流法由于无需放电，蓄电池不用处于静态或脱机，可以实现完全的在线监测管理，避免了对设备运行安全性的影响。同时由于施加的低频信号频率很低，施加的交流电流也很小，故不会对直流系统的性能造成不利影响［6］。只要求出Uo（i）、Is及两者的相位差φ，由式（2）便可得出电池的内阻。Uo（i）、Is为周期固定的正弦波信号，可在一个信号周期内进行等间隔采样，根据式（3）即可求出其有效值。因此测量电池内阻的关键便是相位差φ的测量［7，8］。

通常测量相位差的电路如图3所示，Us、Uo（i）正弦波信号先经过电压比较器LM311过零比较变为方波信号，然后提取出其相移φ，各点的波形如图4所示，用单片机的输入捕捉功能测出波形③的高电平时间即可得到相移φ。

由于每节单体电池都需图3所示的一套电路，因此该检测方法硬件复杂、成本高、抗干扰能力较差。

图3 Us和Uo（i）相位移检测电路

图4 检测电路各点的信号波形

2 直接采样相移法测量蓄电池内阻的基本原理

为了克服上述检测方法的缺点，本文提出了直接利用采样点计算相移的新方法。

根据交流采样算法，计算Us、Uo（i）有效值时需要对信号进行同步采样。在t0、t1，…，tn时刻分别对周期为T的信号x（t）进行采样，如果满足下列两个条件：

则称为同步采样，式中Ts为采样间隔；采样频率fs＝1/Ts。第一个条件要求采样频率必须为信号频率的整数倍，第二个条件要求采样必须是等间隔采样。由于Us、Uo（i）为周期固定的正弦波信号，取Ts＝T/n为采样间隔，利用定时器定时，每隔Ts时间触发中断进行采样即可。

对信号Us和Uo（i）进行同步采样，采样间隔为Ts，Ts＝T/n，其中T 为信号周期，n为采样点数，硬件框图如图5所示。

图5 采样电路框图

设信号Us的采样起始时刻为t0，则其采样时刻依次为t0、t0＋Ts、…、t0＋ （n－1）Ts，当采样完Us的第（n－1）个点后，将模拟开关切换到下一通道，即单体电池电压Uo（1），对Uo（1）继续进行同步采样，此时采样起始时刻为t0＋（n－1）Ts＋Ts，即t0＋T，其采样时刻依次为t0＋T、t0＋T＋Ts、…、t0＋T＋（n－1）Ts，当采样完Uo（1）的第（n－1）个点后，将模拟开关切换到下一通道继续采样，一直到所有通道都采样完毕为止。由于Us和Uo（1）是周期相同的正弦波信号，由正弦波信号的周期性可知，这种采样方法保证了各路信号起始采样时刻的同步。

如果有Us（k1）·Us（k1＋1）＜0，则说明在Us（k1）和Us（k1＋1）之间存在一个过零点，设Δk1为过零点与采样点Us（k1）的距离，利用线性插值有：

同理，如果有Uo（i）（k2）·Uo（i）（k2＋1）＜0，则说明在Uo（i）（k2）和Uo（i）（k2＋1）之间存在一个过零点，设Δk2为过零点与采样点Uo（i）（k2）的距离，则有

则所求相移为

3 四端法的基本原理

由于蓄电池内阻一般为mΩ级（例如通信用200 Ah阀控铅酸蓄电池的内阻只有1 mΩ左右），因此夹具的接触电阻以及引线本身的电阻会对测量引入误差，四端法测量很好地解决了这个问题。

如图6所示，C1、C3为测量响应的电路与电池之间的隔直电容，C2为交流源与电池之间的耦合电容，R1、R2、R3、R4为测试导线的电阻。在交流源作用下，其中一对测试线中流过电流，并使电池两端产生响应，而测量响应的电路由于输入阻抗极大，这一对测试线中不流过电流，因而保证了测试电路测到的是电池两端的响应。

图6 四端法测量示意图

4 结 论

由于蓄电池内阻很小，且容量越大，其内阻值越小，给测量工作带来很多不便，因而蓄电池内阻测量是所有蓄电池检测指标中最难以实现的。本文提出的直接采样相移法测量蓄电池内阻的方法，克服了交流测试法的缺陷，具有结构简单、易于实现、成本造价低、测试误差小等优点，满足蓄电池内阻在线检测的要求，为通信电源集中监控提供了技术支撑。

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