以內(nèi)阻法于UPS系統(tǒng)中的蓄電池電量估測(cè)設(shè)計(jì)

摘要：本文研制以內(nèi)阻法為基礎(chǔ)的不斷電系統(tǒng)蓄電池電量估測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)藉由量測(cè)電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)阻變化來(lái)預(yù)估電池的殘余電量，此法不但可以快速偵測(cè)電池的殘余電量，并可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其數(shù)值。本系統(tǒng)只需擷取電池電壓與電流的變化即能運(yùn)算出電池內(nèi)阻，進(jìn)而得知電池的電容變化，可不需事先得知電池目前電量狀態(tài)。

引言

近年來(lái)由于科技的急速發(fā)展，所產(chǎn)生的污染也隨之增加，更由于環(huán)保意識(shí)抬頭，人類了解到環(huán)保的重要性，進(jìn)而開(kāi)始使用環(huán)保、無(wú)污染的用品，尤其是在交通工具方面，如：電動(dòng)滑板車、電動(dòng)自行車、油電混合車、電動(dòng)機(jī)車等等，已是不可或缺的重要代步品，但是在許多地方仍然有諸多缺點(diǎn)，如：價(jià)格昂貴、電池壽命不足、續(xù)航能力短、充電效率差等，皆為導(dǎo)致普及化低下的原因。而在上述等原因之中，最重要的關(guān)鍵為電池的能量供應(yīng)。

而各式各樣的電器設(shè)備普及化，緊急照明設(shè)備與蓄電池儲(chǔ)能裝置大量的使用，造成蓄電池及其周邊設(shè)備的需求飛躍成長(zhǎng)。以電腦設(shè)備、監(jiān)控儀器、消防設(shè)備、醫(yī)療儀器……等，各種精密儀器對(duì)電力品質(zhì)的嚴(yán)格要求而言，不斷電系統(tǒng)（Uninterruptible Power Supply, UPS）成為真正能徹底解決電源問(wèn)題的必要設(shè)備，而在UPS遇到電壓下陷（sags）、尖波（spikes）、電壓突波（surges）、雜訊干擾（noise）、高（低）電壓暫態(tài)（transients），足以影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電力品質(zhì)問(wèn)題時(shí)，UPS均會(huì)自動(dòng)穩(wěn)壓濾除雜訊，提供給設(shè)備穩(wěn)定且干凈的電源環(huán)境，而提供UPS的主要設(shè)備還是電池。

由上述可知，未來(lái)對(duì)于蓄電池的供電要求勢(shì)必將會(huì)提高。而在電動(dòng)機(jī)車方面，如何使充電效率提升，不會(huì)使蓄電池有過(guò)充、溫升過(guò)高的現(xiàn)象，并且能延長(zhǎng)蓄電池使用壽命，為設(shè)計(jì)充電器的重點(diǎn)之一。而在不斷電系統(tǒng)之中，當(dāng)市電斷電時(shí)使用者必須了解UPS中還有多少電量可供使用，所以如何快速準(zhǔn)確的得知電池剩余容量，則是在殘余容量顯示方面相當(dāng)重要的一項(xiàng)環(huán)節(jié)[1,2]。

本文研究目的系建立一快速充電轉(zhuǎn)換器并能監(jiān)控蓄電池的殘余容量為目的的系統(tǒng)，藉由轉(zhuǎn)換器的控制來(lái)達(dá)到快速充電的效果，并且利用電腦來(lái)監(jiān)測(cè)電池端電壓與電流并顯示殘余容量，如圖1所示。系統(tǒng)架構(gòu)可分為Flyback轉(zhuǎn)換器與Buck轉(zhuǎn)換器；輸入端由市電供給110Vrms/60Hz的交流電壓，經(jīng)由Flyback隔離再由Buck降壓對(duì)電池端充電。本文利用DSP（TMS320LF2407A）與LabVIEWDAQ(DAQPad-6016)為控制核心，達(dá)成轉(zhuǎn)換器與控制法則的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)控制規(guī)劃及流程

本文內(nèi)阻估測(cè)法采用方法為直流量測(cè)法，其方法為，在蓄電池流出大量電流的瞬間，此時(shí)電池端電壓將會(huì)有突降的變化。當(dāng)電池放電結(jié)束時(shí)，端電壓將會(huì)有突升的情形，此突升、突降的變化斜率與電池內(nèi)阻有密切關(guān)系，如圖2所示[7]。

圖2 直流訊號(hào)量測(cè)示意圖

利用上述的方法可在蓄電池充電開(kāi)始與充電結(jié)束和放電開(kāi)始、放電結(jié)束時(shí)，量測(cè)電池內(nèi)阻值的變化情形。

利用上述的實(shí)驗(yàn)方法可得圖3為電池放電與內(nèi)阻關(guān)系圖，由圖可觀察得知當(dāng)充電容量越飽時(shí)電池的內(nèi)阻會(huì)呈現(xiàn)越小的狀況，而當(dāng)電池容量越少時(shí)，電池的內(nèi)阻將會(huì)越大。

圖3 蓄電池內(nèi)阻―容量曲線

利用上述內(nèi)阻的性質(zhì)，可對(duì)應(yīng)出當(dāng)內(nèi)阻有所不同時(shí)其電池容量也有所不同的特性，但因其曲線為非線性變化的曲線，因此透過(guò)方程式擬合法，將曲線資料輸入至數(shù)位處理器內(nèi)進(jìn)行殘量的估測(cè)，并利用Matlab中曲線擬合法來(lái)求解其電池內(nèi)阻與放電時(shí)間對(duì)應(yīng)曲線。

再利用Matlab軟體的曲線擬合功能，將圖3的各點(diǎn)數(shù)值代入，可求解得方程式（1）。圖中的圓圈表示電池實(shí)際的放電時(shí)間，曲線代方程式（1），比較圖3與圖4可知結(jié)果極為相近。在式中R皆以mΩ為計(jì)算單位。

電池容量= -0.00013678R3+0.019894R2-1.2632R+30.384 (1)

圖5為內(nèi)阻估測(cè)法的演算流程圖，其演算核心為數(shù)位單晶片。當(dāng)電量估測(cè)法的程式開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，先取得電池的端電壓是否大于10.5V，進(jìn)而決定是否要開(kāi)始進(jìn)行內(nèi)阻偵測(cè)，在確認(rèn)無(wú)誤后偵測(cè)電池是否開(kāi)始充電或是放電，等到電池有突升或是突降的狀態(tài)，利用電流檢測(cè)電路與電壓檢測(cè)電路將電流與電壓訊號(hào)回授至DSP，將電池的端電壓與端電流相除取得其內(nèi)阻值，再利用式（1）取得電池內(nèi)阻與容量的關(guān)系，得知電池的容量為多少，進(jìn)而判斷出電池剩余容量為多少，之后等待下一次電池的突升或突降的狀態(tài)，來(lái)判斷電池的電流是否做改變進(jìn)而再重新計(jì)算出電池殘余電量。本文利用DSP的數(shù)位轉(zhuǎn)類比功能，將估測(cè)的電量以LED表示，再以資料收集器記錄其估測(cè)電量的輸出變化。在電量計(jì)算結(jié)束后，判斷電池電壓是否已經(jīng)低于10.5V的截止放電條件，假設(shè)還未低于10.5V則繼續(xù)進(jìn)行進(jìn)行放電，而且程式也繼續(xù)計(jì)算電池的殘余電量，直到電池電壓低于10.5V才停止放電。

圖5 內(nèi)阻估測(cè)法的演算流程圖

充電法則與電量估測(cè)

充電方式的不同將會(huì)影響到電池的壽命，若依照電池廠商所提供的使用手冊(cè)，照其規(guī)定的充電法是最安全且最有效率的充電方法，但所提供的方式花費(fèi)充電時(shí)間都過(guò)于冗長(zhǎng)。所以能夠快速充電又不影響其特性的充電法陸續(xù)被提出，本文將使用多階段充電法對(duì)電池充電。多階段脈沖充電法是利用不同的定電流對(duì)電池進(jìn)行充電，如圖6所示。當(dāng)電池充電到所設(shè)定的電壓之后，隨即降低電流大小再持續(xù)對(duì)電池進(jìn)行充電，直到再度充到所設(shè)定的電壓再降低電流。此方法的優(yōu)點(diǎn)為具有快速充電功能與避免電池過(guò)度充電以確保電池的使用壽命，并且能確實(shí)的將電量充至飽和狀態(tài)[3]。

圖6 多階段脈沖充電法示意圖

電池電量估測(cè)目的是在于偵測(cè)電池內(nèi)部剩余電量多少，能夠隨時(shí)清楚的掌握電池目前剩余多少電量，即可了解電池的剩余工作時(shí)間。電量估測(cè)不但可了解電池是否處于充飽狀態(tài)或是容量已接近末期，也能防止電池發(fā)生過(guò)度充電與過(guò)度放電的情形。

文中使用的方法為內(nèi)阻偵測(cè)法，電池的內(nèi)阻包含了兩種意思，其中一種指純歐姆電阻，另一種是由電化學(xué)反應(yīng)中電極極化所產(chǎn)生的，如圖7所示。電池內(nèi)阻可分為金屬類電阻（RMetallic）與化學(xué)材料類電阻（RElectrochemical）；而在金屬類中又可分極板（RTerminal Post）、金屬帶（RStrap）、極板網(wǎng)柵（RGrid）、極板網(wǎng)柵到糊狀材料（RGrid to Paste）；而化學(xué)材料類包含了糊狀材料（RPaste）、電解液（RElectrolyte）、隔離板（RSeparator）。電池的電解液濃度的變化將會(huì)影響電池內(nèi)阻值的變化，當(dāng)在充電時(shí)內(nèi)阻將會(huì)隨電量而降低，但在放電狀態(tài)時(shí)，內(nèi)阻將會(huì)跟隨電量而有所增加[4-6]。

圖7 鉛酸電池內(nèi)阻等效電路

電池內(nèi)電阻會(huì)依不同的輸出電流、電池使用次數(shù)、溫度及老化狀況而有不同的數(shù)據(jù)，所以可以將電池的內(nèi)電阻當(dāng)做為電池可輸出的容量代表，因電池內(nèi)部的內(nèi)電阻值本身會(huì)因上述的因數(shù)來(lái)自我修正參數(shù)。因此，內(nèi)阻量測(cè)法就是藉由量測(cè)電池在充放、電過(guò)程中內(nèi)阻的變化，來(lái)進(jìn)行預(yù)估電池的殘余電量，如圖8鉛酸電池內(nèi)阻與電量的關(guān)系曲線圖所示。

圖8 鉛酸電池內(nèi)阻與電量的關(guān)系曲線圖