浅谈轨道车辆蓄电池常用的测量方法

侯航 毛燕春 孙丽伟

摘要：蓄电池供电单元是高速动车组车辆供电系统中一个重要的组成部分，通过对蓄电池采用有效的测量手段及时准确的发现蓄电池存在的隐患，并及时更换蓄电池，内阻作为一个真实存在的物理量，与蓄电池性能存在比端电压更为紧密的相关性，大量的实验数据证明：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升高，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认可，因而蓄电池内阻的检测成为保证高速动车组蓄电池系统健康安全的关键方法。

关键词：动车组;蓄电池;内阻;检测

蓄电池内阻常见的测试方法有三种：

一、直流放电法

直流放电法是在电池组两端接入放电负载，根据在不同电流I1、I2的电压变U1U2来计算内阻值，由E-I1×r=U1、E-I2×r=U2得：r=（U1-U2）/（I2-I1），由于内阻值很小（图一），在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确的测量带来了困难，由于放电过程电压的变化，需要要选择稳定的区域计算电压变化幅值。实际测量直流放电方法所得的数据的重复性较差，准确度很难达到10%以上。此测量方法需要将电池组放在专用的测试台位进行测量并且对测试电池组有着不可逆的损伤，影响蓄电池的容量及寿命。故实际生产过程中多不采用此方法。

二、开路电压法

开路电压法是通过测试蓄电池端电压来估计蓄电池内阻，此种方法测量的精度很差，甚至得出错我的结论。因为即使一个容量已经变得很小的的蓄电池，再浮充状态下其端电压可能表现得很正常，故此种方法在现车试验过程中只作为电池状态的初步参考意义，在蓄电池异常问题处理过程中开路电压法测量的数据并不能作为可靠数据来判断蓄电池内阻值。

三、交流注入法

交流注入法测量蓄电池内阻的原理如图1 所示

其中RS未电流采样电阻，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U0（i）和流过的电流Is以及两者相位差如图2 所示

Z（i）=U0/Is（1）

R（I）=z（（2）

根据公式1）和公式（2）计算出电池的内阻。交流法无需放电，不用处于静态或脱机，可以实现完全的在线监测管理，避免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，施加交流电流也很小，故不会对直流系统的性能造成不利影响。只要求出Uo（i）、Is及两者的相位差φ，由公式（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，根据公式（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

为了克服上述检测方法的缺点，有专家就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：tn-t0=T（4）ti-ti-1=TS（i=1，2，…，n）    （5）则称为同步采样，其中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，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（i）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：

由于采用交流注入法的蓄电池测量方法测试表笔选择四端测量法，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200AH阀控铅酸蓄电池的内阻只有1mΩ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。

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。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。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，为轨道车辆蓄电池维护、故障排除、车辆调试提供了技术支撑。

参考文獻：

[1]刘苗青，谷文奎.基于在线阻抗测试技术的蓄电池维护与管理[J].电信工程技术与标准化，2009（4）：46-50.

[2]密封阀控铅酸蓄电池内阻测量技术及安全预警管理解决方案[J].中国新技术新产品.2009（18）：26-29.

[3]王强，谢永成.铅酸蓄电池内阻在线测量方法的研究[J].通信电源技术，2010，27（5）：59-61.