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高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測(cè)方法的改進(jìn)
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。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[1][2]。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)阻逐步減小；隨著放電過(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。
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Is，然后，檢測(cè)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(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。
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
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
f(x)的求解過(guò)程如下[3]：首先，假定f(x)為一個(gè)n次多項(xiàng)式，即
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，…，yn；從而式（1）可以化簡(jiǎn)為
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