蓄电池容量检测设计.docx

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蓄电池容量检测设计

本科生毕业设计（论文）

学院（系）：

电子与电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

学生：

王志宾

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完成日期2011年5月

本科生毕业设计（论文）

基于单片机的蓄电池性能测试电路的设计

TestCircuitofAccumulator’sFunctionBasedonMCU

总计：

毕业设计（论文）27页

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插图：

18幅

本科毕业设计（论文）

基于单片机的蓄电池性能测试电路的设计

TestCircuitofAccumulator’sFunctionBasedonMCU

学院（系）：

电子与电气工程系

专业：

电气工程及其自动化

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学号：

*******28

指导教师（职称）：

唐晓燕（讲师）

评阅教师：

完成日期：

基于单片机的蓄电池性能测试电路的设计

电气工程及其自动化专业王志宾

[摘要]阀控铅酸蓄电池作为后备电源已经广泛应用于工业生产，交通、通信和军事领域。

如何高效率管理这些蓄电池，提高后备电源系统的可靠性是一个很现实的重要课题。

因此，本课题设计一基于单片机的蓄电池性能检测系统。

该系统采用精密电阻和电池构成串联电路，用交流注入法对蓄电池注入微弱正弦波信号，通过对输出响应进行一系列的放大、幅相检测、AD转换和采集，然后根据测量到的电压比来推算电池内阻。

试验结果表明：

该方法能够被有效地用于铅酸电池内阻测量，测量结果稳定有效。

[关键词]幅相检测；AD转换；单片机；电池内阻

TestCircuitofAccumulator’sFunctionBasedonMCU

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyWANGZhi—bin

Abstract:

Valvecontroloflead-acidbatteriesasabackuppowersupplyhasbeenwidelyusedinindustrialproduction,transportation,communicationsandmilitaryareas.Howtoefficientmanagementthesebatteries,improvethereliabilityofbackuppowersystemisaveryrealisticimportanttopic.Therefore,thesubjectisbasedonsinglechipdesignabatteryperformancetestingsystem.Thesystemadoptsthepreciseresistanceandbatteryconstituteaseriescircuit,usingacinjectionmethodtoinjectweakbatterysinewavesignal,aseriesofoutputresponsebytheamplification,amplitudeandphasedetection,ADtransformandacquisition,andthenbasedonthemeasuredresistancecalculationbatteryvoltageboard.Testresultsshowthatthemethodcanbeusedeffectivelyaslead-acidbatteryresistancemeasurement,themeasuredresultsstableandeffective.

Keywords:

Amplitudeandphasedetection;ADtransform;SCM;batteryresistance

1引言

1.1研究背景

阀控铅酸蓄电池（ValveRegulatedLeadAcidBattery——VRLAB）作为后备电源已经广泛应用于工业生产，交通、通信和军事领域。

如何高效率管理这些蓄电池，提高后备电源系统的可靠性是一个很现实的重要课题。

现代社会在能源日益紧张的情况下，太阳能、风能等新能源的开发，电动汽车或混合动力汽车的出现，能有效缓解能源紧张的局面，这就进一步引发了对具有高能量储备性能的VRLAB的巨大需求。

对动力型VRLAB电池组进行实时有效的监测管理是提高系统可靠性必不可少的重要方法。

本课题的研究设计具有非常广阔的发展前景和巨大的经济价值。

1.2蓄电池研究现状

目前测量蓄电池性能方法很多，常见的有以下几种：

第一种方法是通过检测电解液密度确定蓄电池剩余容量，这也是铅酸蓄电池检测普遍采用的方法。

电解液密度在充电过程中逐渐变高，放电过程中逐渐降低。

通过测量电解液的密度可判断蓄电池的充放电程度。

第二种方法是高电率放电法判断蓄电池剩余容量，它是通过测量大负荷下的端电压来判断蓄电池的剩余容量。

它是模拟启动机启动时的负载，测出蓄电池在大电流放电时的端电压，根据端电压变化来判定蓄电池的技术状态。

此方法能检测蓄电池有无故障及向启动机基与单片机的船用蓄电池智能检测系统供电的能力，但不能测量正在充电和刚充完电的蓄电池。

第三种方法是湿度法检侧蓄电池的容量，湿度法是借助固体电化学湿度传感器，在蓄电池充放电过程中，将电解液相对湿度变化转化为传感器阻抗值的变化来确定蓄电池的容量。

相对湿度小时，阻抗较大，反之阻抗较小。

这种方法只是刚刚提出，还没有看到真正的应用。

第四种方法是利用蓄电池的阻抗求算蓄电池的剩余容量，这种方法多用来测量密封的蓄电池。

它是利用蓄电池充电过程中阻抗值升高，放电过程中阻抗值降低的特性，从被测量电池的频率响应数据预示电池的容量。

交流电桥法测量是在忽略浓差极化因素下进行的，因为电池对交流信号既有电阻特性又有电容特性，使得所测电池内阻随频率变化而变化。

目前电池内阻的测量方式主要有两种：

直流放电法和交流阻抗法．直流放电法以理想直流电路为基础，对蓄电池进行瞬间大电流放电（一般为几十到上百安培），然后测量电池两端的瞬问压降，再通过欧姆定律计算出电池内阻。

该方法简单、易于实现，在实践中得到了一定的应用。

但该方法必须在静态或脱机的情况下进行，无法实现在线测量，且蓄电池组放出的瞬间电流较大，对蓄电池组和负载均会造成较大冲击，影响电池使用。

此外，测量结果稳定性不佳，一般适用于对测量精度和安全性要求不高的场合。

交流阻抗法是一种以小幅值的正弦波电流或者电压信号作为激励源，注入蓄电池，通过测定其响应信号来推算电池内阻。

交流阻抗法既不是稳态法，也不是暂态法，而是在一个稳态下施加一个小的扰动，是一种准稳态方法。

该方法的优点在于在线测量可避免小扰动对系统产生的影响，扰动与系统的响应之间保持近似线性关系。

然而，目前这种方法在实现上较为困难，仍有值得改进之处。

本文中基于交流阻抗法，给出一种易于实现的内阻测量方法，并通过实验验征了方法的有效性。

1.3蓄电池的性能指标

（1）安全性能

安全性能指标不合格的蓄电池是不可接受的，其中影响最大的是爆炸和漏液。

爆炸和漏液的发生主要与蓄电池的内压、结构、工艺设计（比如安全阀失效）及应当禁止的不正确操作有关。

（2）额定容量

为了蓄电池的容量，定义了蓄电池的额定容量。

额定容量是蓄电池制造的时候，规定蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的电量，其单位为Ah。

使用条件不同，蓄电池能够放出的容量也不同。

（3）内阻

蓄电池的内阻是指电流流过蓄电池内部时所受的阻力，铅酸蓄电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测得到比较准确的结果。

一般所指的蓄电池内阻是充电态内阻，即蓄电池充满电时的内阻。

与之对应的是放电态内阻，并且不太稳定。

蓄电池的内阻越大，蓄电池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。

内阻很大的蓄电池在充电时发热很厉害，使蓄电池的温度急剧上升，对蓄电池和充电器的影响都很大。

随着蓄电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及蓄电池内部化学物质活性的降低，蓄电池的内阻会有不同程度的增大，质量越差的蓄电池增大的越快。

蓄电池内部阻抗会因放电量增加而增大，尤其是在放电终止时阻抗最大，主要因为放电的进行使得极板内产生不良导体硫酸铅以及电解液比重下降，故放电后务必马上充电。

若任其持续放电，则硫酸铅形成安定的白色结晶（即硫化现象）后，即使充电，极板的活性物质亦无法恢复原状，从而将缩短蓄电池的使用寿命。

（4）循环寿命

循环寿命是指蓄电池可经历的重复充放电次数。

蓄电池的寿命和容量成反比关系，循环寿命还与充放电条件密切相关，一般充电电流越大（充电速度越快），循环寿命越短。

（5）蓄电池的额定电压

国家标准规定的蓄电池电压值为额定电压，用V表示。

（6）电解液

电解液是由高纯度硫酸和纯水组成的无色透明的稀硫酸，它和阴、阳极板起化学作用，把化学能转化成电能，同时在蓄电池内部起导电作用。

1.4蓄电池性能的判断因素

（1）使用环境温度对蓄电池的影响。

目前电厂、供电局使用的绝大多数为阀控密封铅酸蓄电池，其最佳工作温度为25℃，由于其采用密封结构，其内部热量很难散失。

升高10℃，蓄电池的寿命将减少1∕2。

所以在蓄电池安装时也要注意，每节电池间要保持至少厘米的间距，这样有利于通风。

（2）过充电对蓄电池的影响阀控式密封铅蓄电池一直都是处于浮充状态下工作的，浮充电压选择是否妥当对电池寿命影响极大。

浮充电压选得偏高或电池温度升高时，若没有及时将浮充电压调下来，就会造成过充加速电池的失水，导致电池的容量下降。

在电池均充时，均充电压过高或环境温度过高会引起蓄电池内部液体温度升高，由于阀控式蓄电池采用密封结构，热量不易排除，进而也会导致“热失控”现象的发生，降低电池的容量。

（3）过放电对蓄电池的影响蓄电池的放电也是有严格规定的，蓄电池对负载放电时不能低于规定的终止电压，若低于此值则会对蓄电池产生过放，从而导致蓄电池活性物质降低而影响其性能及使用寿命，而且很难恢复。

（4）充电设备的输出质量对蓄电池的影响目前大量使用的阀控式密封铅酸蓄电池不同于铅酸蓄电池或镉镍蓄电池，其内阻更小，对充电设备的输出性能指标要求更高。

充电设备与蓄电池并联运行时，纹波系数较大将引起蓄电池长期处于脉动充电放电状态，从而加速了蓄电池老化过程，影响蓄电池的使用寿命，同时，由于阀控式密封铅酸蓄电池采用贫液或少液结构，一次过充或过放，都有可能严重损坏蓄电池，新型蓄电池的出现对充电设备在调节精度、自动化程度、可靠性等方面提出了新的要求。

因此，充电设备的性能好坏将直接影响蓄电池及整个直流系统的安全运行。

蓄电池的结构特殊，除漏液、鼓包外，无法从外观判断其性能的好坏，所以衡量其性能的唯一标准就是通过核对性放电来测试其实际容量。

1.5本论文所做的主要工作

本设计主要包括探测电路、差分放大电路、幅相检测电路、模数转换模块、主处理器模块以及液晶显示部分。

经探测电路取得蓄电池两端电压，经过差分放大电路将微弱的电压信号进行放大，在幅相检测电路中测得与参考电压的比值和相位差，送入主处理器模块进行数据处理，根据处理结果在液晶显示中显示蓄电池性能。

2测试方法研究

根据大量试验发现，蓄电池的内阻可以反映出一个蓄电池的好与坏。

通过测量蓄电池内阻来判断蓄电池容量和性能经济可靠，操作方便，近年来已引起国内外的普遍重视。

单体电池的内阻与其剩余容量以及性能状况的关系不是线性的，但大量实验结果以及统计数据表明，如果单体电池的内阻增加超过某个经验数据，这个电池就不能放出应有的容量了。

蓄电池完全充电（充满）和完全放电（放完）时，其内阻相差2-4倍左右。

随着放电过程的进行，内阻逐步增大。

另外，随着电池老化，其内阻也逐渐增大，剩余容量也随之下降。

由于蓄电池完全充电和完全放电时内阻变化率比电池端电压变化率（端电压变化率为30%-40%）要大的多，故用测量蓄电池内阻R来预测其剩余容量，要比开路电压法精确的多。

在蓄电池的理论中，始终将蓄电池的内阻作为蓄电池的重要参数加以论述，但在实际中在，如何利用内阻参数的意义上，分歧较多。

尤其在用蓄电池的内阻监测蓄电池性能失效方面，存在诸多争论。

其实采用不同测量标准、不同条件下的测量蓄电池内阻，并讨论其意义（即与性能、容量等的关联性），由于标准不一，其结论自然不一。

为了便于问题的分析，为此引入内阻的相对性、绝对性的概念。

2.1内阻参数的相对性与绝对性

内阻存在相对性与绝对性的两方面特性，应充分认识内阻参数相对特性与绝对特性的意义，从而全面把握内阻这一重要参数。

关于内阻参数的相对性方面是指，在众多铅酸蓄电池参数中，其内阻值是一个比较特殊的概念，这主要是因为：

（1）首先作为蓄电池内阻，其包含了欧姆阻抗和极化阻抗，蓄电池内阻是指在某种条件下的数值，如是充电态还是放电态，充、放电的不同阶段，内阻是不同的，只有在明确其状态和明确其测量标准，才能有其具体意义，这是其本质的相对性。

（2）作为测量手段和方法的不同，由于测量原理不同，其包含的意义也不尽相同。

这是因为测量方法和手段，对于欧姆阻抗和极化阻抗而言，在采用不同测量方法和手段时，各部分在测量值中所占比例差异较大，所以只有在明确其测量标准后，讨论才具有现实意义，这是蓄电池内阻参数测量方面相对性。

几十年来，在实践中广泛采用直流放电法，测量蓄电池内阻，即使这样，也同样是一个相对数值。

虽然大家沿用至今，但仍然不能将其绝对化。

近十几年来，随着新技术的涌现，对于内阻测量的新方法，也不断涌出。

如果仍然将直流法测量的内阻绝对化，则无法接受新的测量手段带来的对内阻意义的理解。

关于内阻绝对性是指蓄电池在运行或失效过程中，其内阻的变化是绝对的，从以下几个方面可以明确：

（1）在实际应用中，目前没有一个蓄电池性能严重衰减或容量严重下降，但其内阻没有变化的实例。

通过近十年对蓄电池内阻的研究及国外相关机构的研究报告，都准确地说明了这一点。

（2）在蓄电池失效模式中（尤其是阀控铅酸蓄电池），无论何种模式的失效，都必然在内阻得以体现。

正是由于内阻的相对性及其变化的绝对性，为实际应用带来了清晰的理论：

（1）只有在同一条件下，同一手段方法测量的内阻才是讨论蓄电池性能的参数的根本；在此标准下，讨论蓄电池内阻变化与蓄电池性能或容量存在其关联性，才可能得出准确可靠的结论。

（2）在同一条件下，采用不同手段方法，测量蓄电池内阻，内阻的含义不尽相同，其数值不可能完全一致。

但始终以一种手段方法，测量蓄电池不同条件下的内阻变化，用以考察蓄电池性能状况是可行的。

（3）在不同条件下，采用不同手段方法，测量蓄电池内阻，以期建立蓄电池内阻与蓄电池性能或容量衰减的某种关联，是不能成立的。

但可以在相同条件下、相同手段方法下，测量内阻变化值与蓄电池性能状况或容量衰减建立某种关联，这样才能清楚地加以分析。

2.2蓄电池内阻与容量的关系

在剩余容量高于高于50%的区间内，电池内阻几乎没有变化，而且几乎不受放电电流的影响；当剩余容量小于50%时，电池内阻却明显增大，而且放电电流越小，电池内阻增加越快。

测内阻法的优点在于对在线使用的蓄电池来说，此法对系统影响最小，并可在电池整个使用周期内精确测量。

电池内阻可以采用很多方法来测，比如：

动态电阻法、交流或直流法。

2.3蓄电池等效电路

蓄电池里面是依靠化学反应来提供电能的，阻抗分析是电化学研究中的常用方法，一般情况下，电池在充电或放电时，其内阻R有一下3部分组成，如公式

（1）所示

（1）

式中的RΩ为欧姆内阻；Rc为浓差内阻；Re为活化内阻。

在很多研究方法中，使用图1来等效蓄电池。

图1蓄电池阻抗等效电路

中Lp、Ln。

为正负极电感；Rtp和Rtn,是电极离子迁移电阻；Cdlp，、Cdln。

是极板双电层电容；Zwp，Zwn为Warburg阻抗，由离子在电解液和多孔电极中扩散速度决定；Rhf是前面提到的欧姆电阻。

蓄电池的阻抗包括欧姆电阻和正负极阻抗，电池阻抗是一个复阻抗，在其他条件不变的情况下与测试频率有关。

通常情况的内阻是指某一固定频率下的内阻值，一般的内阻测试有两种：

测蓄电池的内阻测量，如镍镉电池、镍氢电池和锂电池，使用的频率一般为1KHz；用于测铅酸电池的频率一般为10-60Hz。

2.4设计方案论证

蓄电池内阻的精确测量是有一定的难度的，有几个原因。

第一，蓄电池内阻小到毫欧数量级。

第二，精度要求高，重复性，稳定性要好，内阻的变化在一个长时间里是很小的，达不到精度，重复性和稳定性的要求，测量是没有意义的。

第三，在线测量，干扰十分严重，特别是在同心系统中使用中、还有来自通信设备的干扰。

第四，必须是在线测量，离线测量意义不大。

目前测量蓄电池内阻的常见方法有密度法、开路电压法、直流放电法、交流注入法。

（1）密度法主要是通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，而现在的蓄电池基本都是封闭式的，无法取得电解液。

该方法的适用范围窄并且这种方法在精度上有很大的缺陷。

（2）开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻，精度很差，甚至得出错误的结论。

因为，即使一个容量已变小的蓄电池，在浮充状态下其端电压仍可表现正常。

（3）直流放大法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。

由于瞬间大电流对蓄电池有一定的危害，并且当内阻值很小时，在一定电流下的电压变化幅值相对较小，给准确测量带来困难。

另外，由于放电过程电压的变化，需要选择稳定区域计算电压变化幅值。

实际测量中，直流方法所得数据的重复性较差。

（4）交流法通过对电池注入一个低频交流电流信号，测出蓄电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出电池内阻。

交流注入法由于不需要放电，不用处于静态或脱机状态，可以实现安全在线监测管理，避免了对设备运行安全性的影响。

同时对蓄电池施加的低频信号频率非常低。

电流值也非常小，故不会对电池的性能造成影响，并且不需要负载箱。

首先产生一个1KHz的恒定交流激励信号，交流法通过对蓄电池注入一个交流信号Is，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差θ，由阻抗公式

（2）和（3）

（2）

（3）

即可计算出蓄电池的阻抗，进而反映出蓄电池的性能。

有以上比较，我们选用交流法，来进行蓄电池性能的测试。

2.5交流法

当使用受控电流时电流如公式（4）所示

（4）

产生的电压响应如公式 （5）所示

（5）

若使用受控电压激励如公式（6）所示

（6）

产生的电流响应如公式（7）所示

（7）两种情况的阻抗均为：

即阻抗是与频率有关的复阻抗，其模如公式（8）所示

（8）

相角为φ。

一般情况下激励引起的电压幅值变化小于10mV，这样能保证阻抗测量的线性。

从理论上讲，向电池馈入一个交流电流信号，测量由此信号产生的电压变化即可测得电池的内阻，如公式（9）所示

（9）

式中Vav----为检测到交流信号的平均值；Iav----为馈入交流信号的平均值

用交流法测量内阻时，将一个交流测试信号加在电池上，然后测量出电池的电流（I）和该电流在电池两端的交流电压降（V），由此可以推到出阻抗R。

由于交流信号频率一般都选择得可以忽略电容的影响，测得的数据实际上就是电阻，交流法的缺点是易受充电器纹波和其他噪声源的影响。

但是如果选择适当的测试频率，并采用有效的滤波器，还可以避免电源纹波和其他噪声的影响的。

交流法的有点对在线使用的蓄电池来说，此方法对系统的影响最小，并可在电池的整个使用期内精确测量。

同时施加的低频信号频率非常之低，施加的交流电流也非常小，故不会对蓄电池的性能造成影响，并且不需要负载箱。

当蓄电池处于开路状态时，可以近似地认为蓄电池正负极处于平衡电位状态。

在蓄电池正负极加上恒定的电位差时，就会有滞留在其中流过；如果在此电位差上叠加一个幅度相当小（一般小于10mV）的正弦交流电压就会有正弦交流电流虫其中流过，该电流的大小依赖于电极电位和电极表面附近液层中参与电化学反应的物质的浓度。

交流电流中依赖于电极电位的这部分是跟交流电压同相位的，可以用传输电阻来表示。

依赖于物质浓度的这部分交流电流是受反应物和生成物扩散过程控制的，Warbug提出这种控制作用可以表示为一个电阻和一个电容串联组成的阻抗，该电阻和电容成分跟交流电频率平方根成正比。

如果电化学反应结果会有一部分物质吸附在电极表面，则这部分表面就被覆盖了，就会对总的交流电流大小有影响，它跟交流电压的频率相同但相位不同，这种影响可以用电阻和电容并联组成的电抗来表示。

当电池两级上没有电化学反应进行时，在正弦交流电压作用下的交流只用于电极双重电容的充放电。

由于铅酸蓄电池交流阻抗中有感抗存在，不能采用在复数平面图中相应虚部为零时阻抗实部值作为电池内阻值，而采用电池阻抗模变化最小的频率区域（0.1-10KHz）中阻抗实部的平均值作为电池内阻，此时浓差极化的干扰就相对小一些。

3硬件电路的设计

3.1总体框架

在实际使用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧级，因此，产生的电压变化幅值也在微伏级，信号容易受到干扰。

尤其是在线测量时，会受到充电机或用电负载的影响。

交流法，首先要有一个交流源，原理框图如图2所示，交流原，就是提供交流信号，使之注入到蓄电池后能在蓄电池两端产生一个交流相应信号。

同时考虑到交流流源与蓄电池串联后，蓄电池会产生一个直流信号。

为了避免与恒流源影响。

故在串联电路中串联一个电容，电容可以起到隔直流，通交流的作用。

其阻值的大小选取，选择较大电容阻值的，因为选择较大的电容c，交流信号在其分的电压降，就少，其阻抗为1/jωc。

蓄电池的内阻不是纯电阻，里面存在有容性成分，故交流信号经过蓄电池后相位差会发生变化。

所以要测出蓄电池的阻抗，还要测出相位差θ。

为了测出相位差我们需要一个参考电压，电阻Ro，就是提供一个参考电压，R取值1KΩ，流过一个恒定的交流信号，如公式（10）所示

（10）

R上产生一个已知的电压信号，如公式（11）所示

（11）设计总体框图如图2所示

图2设计总体框图

因为交流信号经过蓄电池后，在蓄电池两端的相应信号十分微弱，直接取值不方便，并且如果直接取值还携带有直流信号，故我们选择一个差分放大器，其输入信号就是蓄电池两端的的信号，经过差分放大。

得到蓄电池两端的交流相应电压信号，并且此时已经将直流信号去掉。

同样我们对已知的参考信号R两端的信号作为输入信号也经过差分放大器。

所以，我们就需要两个完全一样的差分放大器，放大器我们选用INA2321芯片，INA2321放大器一块芯片里面有两个完全一样的放大器。

故经过INA2321后，信号放大同样的倍数。

放大后的信号经过AD8302幅相检测芯片可以得到两个输入信号的幅度之比和两输入信号的相位差θ。

假设幅度之比为q,则蓄电池两端的相应电压信号如公式（12）所示

（12）

带入阻抗公式

（2）和（3），其中Vo=Umax=qARo，Is=Imax=A得公式（13）

R=qRocosθ（13）

在单片机里数据处理后，送入LCD显示。

直观现实出来蓄电池性能的好坏。

3.2主处理器模块

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能C