内阻交流放电法在蓄电池在线监测中的应用

蓄电池作为直流电源系统的核心组成部分，起作储备电能、应付电网异常和特殊工作情况、维持系统正常运转的关键作用，是电力系统正常工作的最后一道防线。当前，蓄电池在线监测逐渐被人们所重视，在电力、通信等行业应用越来越广泛，但是，蓄电池在线监测及状态评估所采用的关键技术---内阻交流放电法并不被人们所了解，还在模糊认识中。
从理论分析和大量实验证明，蓄电池工作状态及预计使用寿命与内阻具有密切的关系，目前国内外使用的蓄电池监测设备及蓄电池状态分析设备都是以蓄电池内阻为主要指标，结合蓄电池内阻的变化速率及历史数据，建立起专家系统，对蓄电池状态进在线评估，預计其使用寿命。现代电站和变电站都采用大容量蓄电池，其内阻极其微小，为几十到数百微欧，甚至接头的松紧程度都会对测量结果造成影响，并且蓄电池在线工作时有一定的充电纹波干扰，因而使传统的电阻测量技术难以达到测量要求，应采用微电阻精密测量技术进行蓄电池内阻测量才行。
1蓄电池的内阻模型

图1为蓄电池的简化等效电路。图中Rc为蓄电池正负电极的极化电阻，C为正负电极的双电层电容等效值。R为蓄电池的欧姆电阻。蓄电池连接部分主要是欧姆电阻，而电极极化部分既有欧姆电阻又有极化电阻。
1.1欧姆电阻：由极板、汇流排、极柱、电解液、隔膜等的电阻组成，它们服从欧姆定律。
1.2极化电阻：它包括浓差极化电阻和电化学极化电阻，由扩散极化电阻、电荷传递电阻组成，是由电极动力学过程和物质转移引起，它们不服从欧姆定律。
1.3浓差极化：电流通过蓄电池后，引起正负电极表面附近的电解液浓度变化，进而产生浓极化电动势，其大小与电流大小、温度、电极反应速率、电迁移、扩散速度有关。
1.4电化学极化：当电流通过蓄电池时，由于电极过程某一步的迟缓，阻碍了电极过程的进行，使电极电位离开平衡电极电位。其大小与电流大小、温度、电极真实有效表面积等因素有关。
2影响蓄电池内阻的因素
影响蓄电池内阻的因素主要有：
2.1蓄电池使用的时间：隨着使用时间的增加，使电解液失水、极板与连接条的腐蚀、极板的硫酸化、极板变形及活性物质的脱落等因素，造成蓄电池容量减小，蓄电池内阻变大。
2.2蓄电池的电荷量：由于注入蓄电池的电解液深度、电极表面反应物质的厚度、电极表面的孔隙率等不同，而使蓄电池的内阻相差较大，从而电荷量也相差较大。
2.3温度：环境温度的变化，例如上升，这时反应物质的扩散加快、电荷传递、电极动力学过程和物质转移更容易进行，因而蓄电池内阻减小。反之，就会增加。
2.4蓄电池的型号：不同生产厂、不同种类、不同型号的蓄电池，由于电极、电解液、隔膜的材料配方不同，电池的结构不同、装配工艺不同而使蓄电池内阻产生差异。
2.5测量信号频率：目前许多蓄电池内阻测量，实际上测的是蓄电池的阻抗，内中包括了容抗，而容抗大小和测量信号频率有关，使蓄电池内阻测量结果不具有客观性。要具有客观性，应根据测量信号电流和电压的相位关系，用解析的方法去除蓄电池电容对测量结果的影响，使测量率结果与信号测量频率无关，即在任何测量信号频率下，内阻测量结果具有唯一性。
2.6测量时间和测量电流大小：在采用较大测量电流的情况下，在施加测量信号和关闭测量信号的瞬间，由于极化的建立和稳定是个变化过程，不同的测量电流，不同的测量时间，极化是不同的，使蓄电池内阻测量结果不具有客观性。要具有客观性，应尽量用较小的信号电流进行内阻测量，根据实验，测量电流小于或等于0.05C10，(其中C10为10小时放电率下蓄电池的容量。)
3用内阻交流放电法测量蓄电池内阻
内阻交流放电法是在交流注入法蓄电池内阻测量技术的基础上更进一步的发展，该方法综合了交流注入法和直流放电法的优点。其原理是用CPU通过D/A控制智能负载，使蓄电池向智能负载放电，产生一个低频(频率小于100HZ)，幅值约为0.01C10-0.05C10 的正弦波交流信号(频率为fo，角速度为ω=2πfo的电流I=IoSin(ωoT),其中C10为10小时放电率下蓄电池的容量。在蓄电池上产生的电压响应为：
U=UoSin(ωoT+Φ); 其阻抗为：Z=Uo/IoXejφ
交流放电法蓄电池内阻测量原理图见图2。

3.1 MOS管：MOS管的作用是由CPU通过D/A控制MOS管，使蓄电池向负载放电，产生特定频率的、幅值稳定的正弦波激励信号。
3.2多路开关：多路开关由CPU控制，进行信号的切换。以实现蓄电池组中每节蓄电池内阻的测量。
3.3耦合电容：其作用是隔离直流，而使交流信号顺利通过。为保证测量电路的精度，耦合电容要保证严格的匹配性。
3.4可编程带通滤波器：蓄电池在线工作时，充电装置纹波电流可能相当大，一些UPS电源的纹波电流有数安甚至数十安，远大于测量信号，如果不采取滤波，后级的放大器将会饱和。可编程带通滤波器的设计可以使频率接近为测量信号频率，而其它频率信号不能通过。这样后级的放大器可以将微弱的测量信号进行有效的放大。
3.5高速同步A/D转换器：它可以实现电流信号和电压信号的同步高速采样，确保电流信号和电压信号严格的相位关系，并将模拟信号转换为数字信号。
3.6 DSP：虽然经过前级的滤波去除了大部分干扰信号，但仍有相当的干扰信号和有效信号一起被采样进来，如不进行处理，将会严重影响测量精度。由于只有频率为fo的信号为有效信号，利用DSP的数字运算能力，对采样信号用FFT算法分别提取电流、电压采样信号中频率为fo的信号部分进行运算。电流、电压采样信号送入DSP后，DSP对信号进行如下处理：
3.6.1对电流和电压采样信号进行FFT变换，分别计算出电流信号和电压信号的频谱分布:
3.6.2分别提取频率为fo的电流和电压信号：
电流信号：I=IoSin(ωoT+φ1)
电压信号：U=UoSin(ωoT+φ2)
3.6.3计算蓄电池的阻抗、内阻和相位差：
阻抗为： Z(ω)=Uo/Io×ejφ
相位差为：φ=φ2-φ1.
蓄电池内阻为：R= |Z(ω)|×COSφ
3.6.4将结果送入CPU，并进行显示、存贮，以便进行其他分析。
3.7 CPU：采用飛利浦公司ARM蕊片LPC2478，对各个单元进行控制，以及和其它设备进行通讯。
4内阻交流放电法测量内阻的特点
4.1安全可靠：蓄电池工作主回路不接入任何器件，测量回路设计有10仟欧的限流电阻和保险管，测量回路为高阻设计，蓄电池工作回路和测量回路安全独立，互不影响，可以在蓄电池在线工作时更换蓄电池监测设备。
4.2放电电流小，对蓄电池无损害：因放电电流为0.01--0.05C10，不对蓄电池产生冲击，不会造成栅极板变形及活性物质脱落，对蓄电池寿命无影响。
4.3抗干扰性强，适应于对工作中的蓄电池进行实时在线监测：采用可编程带通滤波器进行滤波。用数字信号处理技术对信号进行处理，有效地消除了直流充电装置纹波对测量的影响，具有很好的抗干扰性能，适应于对工作中的蓄电池进行实时在线监测。
4.4测试精度高，状态评估和寿命预测准确：带通滤波器+多级高精度运算放大器+数字信号处理，使蓄电池内阻测试精度高于传统的直流放电法和交流注入法测量蓄电池内阻，能准确反映蓄电池老化状况及寿命预测的要求。蓄电池内阻在线测量精度要在2%以内，重复精度在1%以内，目前传统的直流放电法和交流注入法是无法达到的。
4.5测试的结果是蓄电池的真实内阻，和测量时间、信号频率、测试电流大小无关，具有客观性，也便于数据的横向比较。