張端陽， 郭樹滿

(1.鄭州科技學院實踐中心，河南鄭州 450064；2.華北水利水電大學機械學院，河南鄭州 450045)

0 引言

鉛酸蓄電池作為最廣泛的可循環(huán)使用的儲能設備之一，常為工業(yè)應急照明設備、工業(yè)巡檢設備提供電力，鉛酸蓄電池的性能直接關系到設備的使用壽命及可靠性，因此及時了解蓄電池的工作狀態(tài)可以有效地預防設備突發(fā)故障的發(fā)生[1]。鉛酸蓄電池本身的參數(shù)較多，但是其安全性和儲能能力主要體現(xiàn)在內(nèi)阻和電壓2個參數(shù)上，通常對鉛酸蓄電池性能的檢測也主要體現(xiàn)在內(nèi)阻和電壓上。傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池檢測儀智能化程度低、檢測精度偏低且價格相對較高，因此本文研制了一個新型鉛酸蓄電池智能檢測儀，可以通過檢測儀上的LCD屏實時查看被測蓄電池的各項參數(shù)，并可實現(xiàn)對被測蓄電池參數(shù)的本地存儲，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)基礎。實際實驗證明該型檢測儀具有高度集成化、測量精度高、便攜式以及成本低等優(yōu)點[2]。

1 鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測原理

本系統(tǒng)利用交流注入法來檢測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻，即對蓄電池注入恒定的電流源Is，然后測量電極兩端感應出的電壓Us，為了進一步提高測量的精度，采用交流四端子測量法將驅(qū)動電流回路和感應電壓回路分開，減小測量導線電阻帶來的誤差[3]。內(nèi)阻檢測原理圖如圖1所示。

圖1 內(nèi)阻檢測原理圖

圖2 蓄電池內(nèi)部等效圖

為了更為直觀地觀察到蓄電池內(nèi)阻的變化情況，將蓄電池等效成如圖2所示的電路，當注入固定頻率的恒流源時，在蓄電池內(nèi)部會發(fā)生反饋效應產(chǎn)生感應電壓U，圖中R5、R6、R7分別表示蓄電池的內(nèi)阻、虛部內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻，恒流源Is和產(chǎn)生的感應電壓U可以表示為

I=Imaxsin(ωt+φ)

(1)

U=Umaxsinωt

(2)

因此蓄電池的阻抗可以表示為

(3)

當輸入的交流信號的頻率f變化時，ω也隨之變化，當采用四端子測量法時測得的蓄電池的阻抗主要與輸入恒流源的頻率有關，減小了外界復雜環(huán)境因素的影響，提高了測量的準確性。再結合以下公式就可以求得蓄電池的內(nèi)阻R：

(4)

R=Zcosθ

(5)

2 鉛酸蓄電池在線檢測儀的總體方案設計

本文采用交流注入四端子測量方法，將恒流源注入到鉛酸蓄電池內(nèi)，此時蓄電池內(nèi)部就會產(chǎn)生反饋電流，結合相關外圍電路可以測量得到相應的感應電壓，把產(chǎn)生的感應電壓的波形結合注入的恒流源波形作相關數(shù)學計算，便可以計算得到蓄電池的內(nèi)阻[4-5]。最后再利用電壓檢測芯片完成對蓄電池電壓的檢測，把測量結果顯示在外接LCD屏上或者通過預留的串口通訊接口把測量結果傳到上位機上顯示，除此之外，系統(tǒng)還具有本地存儲功能，可以實現(xiàn)對各個蓄電池測量結果的存儲，便于后續(xù)分析。鉛酸蓄電池在線檢測儀的總體設計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體設計圖

3 鉛酸蓄電池在線檢測儀硬件電路的設計

系統(tǒng)硬件電路主要包括基于STM32的恒流源發(fā)生電路、功率放大電路、感應回波電壓采樣電路、蓄電池電壓檢測電路、LCD屏顯示電路以及串口通訊電路等[6]。硬件框圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

3.1 恒流源發(fā)生電路

系統(tǒng)利用STM32F407內(nèi)部的12位DAC控制器輸出頻率為1 kHz的正弦波電壓信號，再利用以AD844為核心的第二代電流輸出傳感器構成的壓控電流源電路實現(xiàn)恒流源的功能[7]。其原理是當AD844正向端通入電壓信號時，輸入電壓則會原樣到達反向輸入端，而且會在電阻R8上產(chǎn)生電流信號，正因為AD844具有電流鏡的結構，產(chǎn)出的電流幾乎全部流入到負載R13中，為了提高系統(tǒng)的性能，引入運放U6作為輸入緩沖器和運放U8作為直流反饋使得輸出電壓的殘余直流分量為零。輸出電流為I0=Vi/R8。壓控電流源電路如圖5所示。

圖5 壓控電流源電路圖

3.2 功率放大電路

由于恒流源輸出的交流電流較小無法直接注入到蓄電池內(nèi)，必須通過功率放大電路增加恒流源輸出的功率，本系統(tǒng)以AD8610為核心設計了一種功率放大電路，在放大器的輸入端通過電容C21濾除直流成分，經(jīng)過放大后注入到鉛酸蓄電池內(nèi)[8]。AD8610具有低失真、低噪聲、低失調(diào)電壓以及低偏置電流的優(yōu)點，采用±5 V雙電源供電，非常適合用來放大初始恒流源信號，放大電路如圖6所示。

圖6 功率放大電路

3.3 感應回波采樣電路

當把交流電流信號注入到蓄電池內(nèi)部時其產(chǎn)生的感應電流也會很微弱，約mA級，經(jīng)過采樣電阻后形成的采樣電壓同樣很微小且伴隨著干擾信號，因此必須對回波信號進行放大濾波。為了保證放大的準確性，本系統(tǒng)選用專用儀用放大器AD620來完成回波信號的放大，再利用帶通濾波電路濾除回波信號中的高低頻干擾信號，帶通濾波電路的中心頻率為1 kHz，感應回波放大濾波電路如圖7所示。

圖7 感應回波放大電路

3.4 蓄電池電壓檢測電路

本文設計的蓄電池在線檢測儀主要是檢測蓄電池的內(nèi)阻和電壓，上述電路主要是完成對蓄電池內(nèi)阻的測量，以下開始進行對蓄電池電壓的檢測[9]。隨著蓄電池長時間使用，其可儲存的電壓開始減小，因此對蓄電池電壓的測量也可以反映出待測蓄電池的性能。由于對電壓檢測技術相對成熟，本文選用電壓檢測芯片BQ26500，其可以完成對蓄電池電壓的實時測量，并且功耗極低，電壓檢測電路如圖8所示。

圖8 蓄電池電壓檢測電路

BQ26500內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器，可以自動實現(xiàn)對采集的模擬電壓的轉(zhuǎn)換，BAT+、BAT-分別接蓄電池的正負極，當芯片采集到蓄電池的電壓時自動把其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，HDQ與STM32的引腳相連，直接把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量發(fā)送給STM32。

3.5 通訊電路

系統(tǒng)可以通過預留的RS485通訊接口與上位機通訊，還可以通過LCD屏直觀地顯示測量結果[10]。其中采用SP3485芯片來完成串口通訊，把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機實時顯示。SP3485芯片供電電壓范圍為3.0～3.6 V，芯片的B、A引腳接一個120 Ω的電阻實現(xiàn)阻抗匹配，以達到吸收總線上發(fā)射信號的目的，RS485通訊電路如圖9所示。

圖9 RS485通訊

本系統(tǒng)采用STM32的FSMC總線接口與LCD屏實現(xiàn)通訊，F(xiàn)SMC即靜態(tài)存儲控制器，其能夠與同步或異步存儲器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳輸。LCD顯示電路如圖10所示。

圖10 LCD顯示電路

4 軟件設計

鉛酸蓄電池在線檢測儀的軟件設計采用模塊化設計方法，針對不同的測量要求設計了相應的子程序，便于主程序中對各個子應用程序的調(diào)用，增強了程序的可讀性。系統(tǒng)軟件主要設計了壓控恒流源控制程序、外部按鍵輸入程序、蓄電池內(nèi)阻算法計算程序、A/D轉(zhuǎn)換程序等。首先把1 kHz的恒流源注入到蓄電池內(nèi)部，其產(chǎn)生的反饋電流流經(jīng)采樣電阻形成回波電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換器采集此回波電壓信號，在STM32內(nèi)部計算處理得到蓄電池的內(nèi)阻值。由BQ25600芯片之間完成對蓄電池電壓信號的采集轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量發(fā)送給STM32，最終在LCD屏上實時蓄電池的性能參數(shù)，系統(tǒng)軟件流程圖如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)軟件流程圖

5 實驗數(shù)據(jù)分析對比

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及靈敏度，首先對系統(tǒng)做如下測試：根據(jù)蓄電池內(nèi)阻的范圍，選取2 mΩ和20 mΩ的電阻來模擬蓄電池的內(nèi)阻，用本文設計的在線檢測儀測量2個電阻，測量結果如表1所示。

表1 模擬蓄電池內(nèi)阻測量數(shù)據(jù)

由上述測量數(shù)據(jù)可知，當使用標準阻值的電阻模擬蓄電池內(nèi)阻時，其測量結果與標準阻值基本一致，內(nèi)阻測量絕對誤差小于1%，本文設計的蓄電池在線檢測儀靈敏度高，可滿足實際測量需要。

完成系統(tǒng)的靈敏度檢測之后，開始檢測實際的鉛酸蓄電池來驗證系統(tǒng)測量的準確性。測試時選用12 V/100 A h的鉛酸蓄電池作為檢測樣本，利用電壓表以及內(nèi)阻檢測儀測出其額定電壓為12.52 V、內(nèi)阻為4.5 mΩ，再利用本文設計的分析儀對其進行檢測，共檢測8塊蓄電池樣本，每組樣本測量10次后去平均值作為實際檢測值，測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 8塊蓄電池測量數(shù)據(jù)

由上述測量數(shù)據(jù)可知，對蓄電池電壓的測量十分準確，近似沒有誤差；對內(nèi)阻的測量準確度高，誤差小于2%，實驗證明本文設計的鉛酸蓄電池在線檢測儀可以有效地檢測蓄電池的內(nèi)阻以及電壓等參數(shù)，極大提高了檢測的效率，具有一定的工程應用價值。

6 結論

本文設計了一種基于STM32的鉛酸蓄電池檢測儀，采用四端子接線以及交流注入法來測量蓄電池的內(nèi)阻，減小了導線電阻帶來的誤差；利用專業(yè)電壓檢測芯片BQ26500實現(xiàn)對蓄電池電壓的實時監(jiān)測。為了驗證系統(tǒng)測量的準確性以及穩(wěn)定性，進行了多次實驗進行驗證，并把系統(tǒng)測得的參數(shù)與標準儀器測得值進行對比，實際測量結果表明該檢測儀測量精度高、穩(wěn)定性好，具有體較小、成本低、便于攜帶等優(yōu)點。