基于内阻法的UPS系统中的蓄电池电量估测设计

电又不影响其特性的充电法陆续被提出，本文将使用多阶段充电法对电池充电。多阶段脉冲充电法是利用不同的定电流对电池进行充电，如图6所示。当电池充电到所设定的电压之后，随即降低电流大小再持续对电池进行充电，直到再度充到所设定的电压再降低电流。此方法的优点为具有快速充电功能与避免电池过度充电以确保电池的使用寿命，并且能确实的将电量充至饱和状态[3]。

图6 多阶段脉冲充电法示意图

电池电量估测目的是在于侦测电池内部剩余电量多少，能够随时清楚的掌握电池目前剩余多少电量，即可了解电池的剩余工作时间。电量估测不但可了解电池是否处于充饱状态或是容量已接近末期，也能防止电池发生过度充电与过度放电的情形。

文中使用的方法为内阻侦测法，电池的内阻包含了两种意思，其中一种指纯欧姆电阻，另一种是由电化学反应中电极极化所产生的，如图7所示。电池内阻可分为金属类电阻（RMetallic）与化学材料类电阻（RElectrochemical）；而在金属类中又可分极板（RTerminal Post）、金属带（RStrap）、极板网栅（RGrid）、极板网栅到糊状材料（RGrid to Paste）；而化学材料类包含了糊状材料（RPaste）、电解液（RElectrolyte）、隔离板（RSeparator）。电池的电解液浓度的变化将会影响电池内阻值的变化，当在充电时内阻将会随电量而降低，但在放电状态时，内阻将会跟随电量而有所增加[4-6]。

图7 铅酸电池内阻等效电路

电池内电阻会依不同的输出电流、电池使用次数、温度及老化状况而有不同的数据，所以可以将电池的内电阻当做为电池可输出的容量代表，因电池内部的内电阻值本身会因上述的因数来自我修正参数。因此，内阻量测法就是藉由量测电池在充放、电过程中内阻的变化，来进行预估电池的残余电量，如图8铅酸电池内阻与电量的关系曲线图所示。

图8 铅酸电池内阻与电量的关系曲线图

但是电池内电阻的变化相当微小，通常为毫欧姆，所以量测内阻的仪器与设备，其准确度及精密度都要相当高，且需要无干扰的平台下将可量测出较精准的数据。

图形化介面设计

LabVIEW通常被用来进行资料采集、仪器控制和工业自动化，它是使用图像物件函数的方式编辑程式，取代传统以文字编辑的方式，使得使用者更容易了解程式结构的涵义。另外LabVIEW系统也提供类比与数位的转换功能，但必须透过资料撷取介面卡，取得类比讯号之后将其转换成数位讯号，让一般电脑能够判读所撷取的数位讯号。同样的，也可以藉由介面的讯号转换功能，把电脑的指令由数位讯号转为类比讯号，来驱动被控制的物件，以达到讯号撷取与自动控制的目的[8]。

本系统所采用的资料撷取介面卡为NI-Pad 6016，具有200 kS/s取样率、16个类比输入、32个数位I/O、2个类比输出、2个计数器/计时器等多功能的DAQ（Data Acquisition）资料撷取卡，其可接受的类比讯号的范围为10V~-10V。

实验结果

本文主要建构一由市电提供电源经由返驰式转换器，再经降压电路以脉冲充电法对电池充电的快速充电系统，搭配LabVIEW图控式程式语言制作出一套即时监控系统，透过电脑荧幕，使用者可以即时掌握铅酸电池的使用情形。本章节将根据前述的电路架构与控制系统，证明脉冲充电器的快速充电性能，与电池电量估测的实验。

实验1 多阶段充电器方面

图9为整个充电历程的充电电流与电池端电压变化曲线图，由图中得知曲线前段呈现持续上升，而当电压达到14V时，充电器控制进入多阶段充电模式，并改以改变电池端充电电流对电池充电，如图9的后段曲线所示，整体充电时间为4,283秒。

图9 多阶段脉冲充电法的充电电流与电池端电压变化曲线图

实验2 电池内阻估测实验

图10为电池内阻对应放电电流的关系变化图，可观察得知无论电池容量是在100%或是25%，其电池内阻对应放电电流的关系并没有太大的改变，仍然维持一固定斜率。

图10 电池内阻与放电电流变化关系图(电池容量为25%-100%)

而图11为电池容量与电池内阻的关系图，由图中得知当放电电流属于大电流放电时所测得的电池内阻相对的越小，当放电电流属于小电流放电时，电池内阻将会相对应的增大。由上述可知当电池容量有所变化时电池内阻的变化量将会有较大幅度的变动，但放电电流的变化量则是呈现小幅度的改变。利用上述的电阻对应容量的特性，可带入电量估测方程式中当做电池放电电流在不同的修正因素。

图11 电池容量与电池内阻变化关系图

实验3 电池电量估测实验

本章节的电池电量的估测实验，第一阶段采用前章节所述的充电器的架构对电池充电，直到所设定的充满情况充电电流将会降为零，代表电池已充满，再利用1C对