基于直接采樣相移法的蓄電池內阻測量

劉險峰，王裕林，楊海峰，李曉梅

（中國人民解放軍65043部隊，吉林 長春130022）

0 引 言

在UPS電源系統和通信電源系統供電中斷時，備用蓄電池組是通信系統能穩定可靠運行的最后保障。如何科學有效地對蓄電池進行維護管理是保障蓄電池性能穩定的關鍵。通過采用在線式阻抗監測技術，及時準確地發現蓄電池存在的隱患，并及時更換蓄電池，能有力保證設備安全穩定運行［1，2］。內阻作為一個真實存在的物理量，與蓄電池性能有更為緊密的相關性，大量實驗數據證明：在電池壽命期間內，其實際容量的單調下降，總是伴隨著內阻的單調上升，在同一條件下測量比較內阻的變化可以對電池性能提供預警信息，這一結論也得到了資深專家的認可［3］。因而，現代通信電源監控系統對蓄電池內阻檢測提出了更高的要求，需要實時在線檢測，這為我們提出了新課題。

1 交流法測量蓄電池內阻的基本原理

圖1所示為交流法在線測量蓄電池內阻的原理［4，5］，圖中 Rs為電流采樣電阻，C為隔直流電容。對電池組注入一個低頻交流電流信號，測出單體電池兩端的低頻交流電壓Uo（i）和流過的電流Is以及兩者的相位差，如圖2所示。根據

計算出電池的內阻。

圖1 交流法內阻測量原理

圖2 Is和Uo之間的相位關系

交流法由于無需放電，蓄電池不用處于靜態或脫機，可以實現完全的在線監測管理，避免了對設備運行安全性的影響。同時由于施加的低頻信號頻率很低，施加的交流電流也很小，故不會對直流系統的性能造成不利影響［6］。只要求出Uo（i）、Is及兩者的相位差φ，由式（2）便可得出電池的內阻。Uo（i）、Is為周期固定的正弦波信號，可在一個信號周期內進行等間隔采樣，根據式（3）即可求出其有效值。因此測量電池內阻的關鍵便是相位差φ的測量［7，8］。

通常測量相位差的電路如圖3所示，Us、Uo（i）正弦波信號先經過電壓比較器LM311過零比較變為方波信號，然后提取出其相移φ，各點的波形如圖4所示，用單片機的輸入捕捉功能測出波形③的高電平時間即可得到相移φ。

由于每節單體電池都需圖3所示的一套電路，因此該檢測方法硬件復雜、成本高、抗干擾能力較差。

圖3 Us和Uo（i）相位移檢測電路

圖4 檢測電路各點的信號波形

2 直接采樣相移法測量蓄電池內阻的基本原理

為了克服上述檢測方法的缺點，本文提出了直接利用采樣點計算相移的新方法。

根據交流采樣算法，計算Us、Uo（i）有效值時需要對信號進行同步采樣。在t0、t1，…，tn時刻分別對周期為T的信號x（t）進行采樣，如果滿足下列兩個條件：

則稱為同步采樣，式中Ts為采樣間隔；采樣頻率fs＝1/Ts。第一個條件要求采樣頻率必須為信號頻率的整數倍，第二個條件要求采樣必須是等間隔采樣。由于Us、Uo（i）為周期固定的正弦波信號，取Ts＝T/n為采樣間隔，利用定時器定時，每隔Ts時間觸發中斷進行采樣即可。

對信號Us和Uo（i）進行同步采樣，采樣間隔為Ts，Ts＝T/n，其中T 為信號周期，n為采樣點數，硬件框圖如圖5所示。

圖5 采樣電路框圖

設信號Us的采樣起始時刻為t0，則其采樣時刻依次為t0、t0＋Ts、…、t0＋ （n－1）Ts，當采樣完Us的第（n－1）個點后，將模擬開關切換到下一通道，即單體電池電壓Uo（1），對Uo（1）繼續進行同步采樣，此時采樣起始時刻為t0＋（n－1）Ts＋Ts，即t0＋T，其采樣時刻依次為t0＋T、t0＋T＋Ts、…、t0＋T＋（n－1）Ts，當采樣完Uo（1）的第（n－1）個點后，將模擬開關切換到下一通道繼續采樣，一直到所有通道都采樣完畢為止。由于Us和Uo（1）是周期相同的正弦波信號，由正弦波信號的周期性可知，這種采樣方法保證了各路信號起始采樣時刻的同步。

如果有Us（k1）·Us（k1＋1）＜0，則說明在Us（k1）和Us（k1＋1）之間存在一個過零點，設Δk1為過零點與采樣點Us（k1）的距離，利用線性插值有：

同理，如果有Uo（i）（k2）·Uo（i）（k2＋1）＜0，則說明在Uo（i）（k2）和Uo（i）（k2＋1）之間存在一個過零點，設Δk2為過零點與采樣點Uo（i）（k2）的距離，則有

則所求相移為

3 四端法的基本原理

由于蓄電池內阻一般為mΩ級（例如通信用200 Ah閥控鉛酸蓄電池的內阻只有1 mΩ左右），因此夾具的接觸電阻以及引線本身的電阻會對測量引入誤差，四端法測量很好地解決了這個問題。

如圖6所示，C1、C3為測量響應的電路與電池之間的隔直電容，C2為交流源與電池之間的耦合電容，R1、R2、R3、R4為測試導線的電阻。在交流源作用下，其中一對測試線中流過電流，并使電池兩端產生響應，而測量響應的電路由于輸入阻抗極大，這一對測試線中不流過電流，因而保證了測試電路測到的是電池兩端的響應。

圖6 四端法測量示意圖

4 結 論

由于蓄電池內阻很小，且容量越大，其內阻值越小，給測量工作帶來很多不便，因而蓄電池內阻測量是所有蓄電池檢測指標中最難以實現的。本文提出的直接采樣相移法測量蓄電池內阻的方法，克服了交流測試法的缺陷，具有結構簡單、易于實現、成本造價低、測試誤差小等優點，滿足蓄電池內阻在線檢測的要求，為通信電源集中監控提供了技術支撐。

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