高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進(jìn)
引言
蓄電池剩余容量是用戶最為關(guān)心的一個(gè)問題,它與整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)。蓄電池剩余容量越高,則系統(tǒng)可靠性越高。因此,如何在既不消耗蓄電池能量,又不影響用電設(shè)備正常工作情況下,實(shí)時(shí)地在線檢測蓄電池剩余容量,有著重要意義。
蓄電池是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng),它在不同負(fù)載條件或不同環(huán)境溫度下運(yùn)行時(shí),實(shí)際可供釋放的剩余容量不同;而且隨著蓄電池使用時(shí)間增加,其容量也將下降。通常是根據(jù)蓄電池的電解液密度來估算剩余容量的,該方法有很大局限性:在蓄電池使用后期,隨著正負(fù)極板的腐蝕、斷筋,難以準(zhǔn)確推算出剩余容量;同時(shí),這種方法也難以適應(yīng)目前廣泛應(yīng)用的VRLA蓄電池的在線檢測。近些年常用的幾種蓄電池剩余容量檢測方法之中,對在線使用的蓄電池來說,內(nèi)阻法對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響最小,并可以在蓄電池整個(gè)使用期內(nèi)準(zhǔn)確測量,因此,內(nèi)阻法被視為一種比較理想的方法。但在高噪聲情況下卻發(fā)現(xiàn),實(shí)際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意,因此,對高噪聲情況下蓄電池剩余容量在線檢測方法的改進(jìn)勢在必行。
1 內(nèi)阻法預(yù)測剩余容量的實(shí)施方案
大量研究結(jié)果表明,蓄電池內(nèi)阻與荷電程度之間有較好的相關(guān)性[1][2]。美國GNB公司曾對容量200~1000Ah,電池組電壓18~360V的近500個(gè)VRLA蓄電池進(jìn)行過測試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,蓄電池內(nèi)阻與容量的相關(guān)性非常好,相關(guān)系數(shù)可以達(dá)到88%。隨著蓄電池充電過程的進(jìn)行,內(nèi)阻逐步減小;隨著放電過程的進(jìn)行,內(nèi)阻逐步增大。另外,隨著蓄電池老化,其剩余容量隨之下降,內(nèi)阻也逐漸增大。蓄電池內(nèi)阻與剩余容量的典型關(guān)系曲線如圖1所示。
蓄電池完全充電(充滿)和完全放電(放完)時(shí),其內(nèi)阻相差2~4倍,變化率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于蓄電池端電壓變化率(約為30%~40%),因此,通過測量蓄電池內(nèi)阻可以比較準(zhǔn)確地預(yù)測其剩余容量。另外,對于在線使用的蓄電池來說,內(nèi)阻法還有一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是對系統(tǒng)影響最小,可以在蓄電池整個(gè)使用期內(nèi)準(zhǔn)確測量。因此,不難看出內(nèi)阻法最適合于VRLA蓄電池剩余容量的在線測量。
內(nèi)阻法預(yù)測剩余容量的具體實(shí)施方案是:首先,將蓄電池充滿電(以2V蓄電池為例,充電至2.23V,浮充電流至10mA),然后,以0.1C的放電率使蓄電池放電,記錄下放電過程中內(nèi)阻與剩余容量的大小。當(dāng)蓄電池放電完畢(2V蓄電池放電至1.80V)便可獲得完整的放電曲線,即剩余容量與蓄電池內(nèi)阻之間的對應(yīng)關(guān)系。將此曲線存入蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)的FLASHROM中,在以后測試同型號、同規(guī)格的蓄電池時(shí),處理器根據(jù)在線測試得到的內(nèi)阻值,通過查表計(jì)算,得出其剩余容量。因此,這一方法的關(guān)鍵在于如何在線測得蓄電池內(nèi)阻。
蓄電池內(nèi)阻測量原理如下:在蓄電池兩端施加一恒定交流音頻電流源Is,然后,檢測其端電壓Vo以及Is和Vo兩者之間的夾角θ。顯然,蓄電池的交流阻抗為Z=Vo/Is,而R=Zcosθ即為我們所要獲取的蓄電池內(nèi)阻值。其具體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。
圖中300Hz信號發(fā)生電路由14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)/分頻器CD4060以及帶通濾波電路組成,具體電路如圖3所示。
圖3
2 高噪聲情況下在線測量方法的改進(jìn)
采用上述方法測量蓄電池剩余容量具有較高精度,離線測量時(shí)誤差優(yōu)于7%。然而在實(shí)時(shí)的在線測量中,卻發(fā)現(xiàn)實(shí)際所測得的蓄電池剩余容量精度不盡人意,有時(shí)誤差甚至超過10%。是什么原因引起這種誤差呢?為此,我們對蓄電池的幾種工作狀態(tài),即供電正常情況下的浮充狀態(tài),市電故障情況下的放電狀態(tài)以及逆變器故障時(shí)的狀態(tài)分別進(jìn)行了測試,發(fā)現(xiàn)在逆變器故障情況下,可以達(dá)到與離線測試時(shí)近似的精度。至此,可以斷定精度降低的原因是由逆變器反饋噪聲所引起的,為此,我們嘗試采用低通濾波器(截止頻率為1kHz)的方法來提高測試精度,效果并不理想,可見逆變器的反饋噪聲主要集中于低于1kHz范圍,因此,在硬件上難以實(shí)現(xiàn)。
考慮到事先已經(jīng)測試得到n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值,因此,可以在軟件上采用最小二乘擬合的辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。所謂最小二乘問題,就是要找出一個(gè)待定函數(shù)f(x),使得f(x)與標(biāo)準(zhǔn)值y之差的平方和最小,即
f(x)的求解過程如下[3]:首先,假定f(x)為一個(gè)n次多項(xiàng)式,即
然后取出已經(jīng)測試得到的n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值,設(shè)為y1,y2,…,yn;從而式(1)可以化簡為
根據(jù)微積分中的極值原理,欲使式(3)最小,必須使其對每一個(gè)系數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)為0,即:
該式中有n+1個(gè)方程式,因此,可以求解出n+1個(gè)未知數(shù)。將式(3)代入式(4)并化簡可得
最后將測試過程中實(shí)測得到的n個(gè)阻值x1,…,xn與n個(gè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻值y1,y2,…,yn代入式(5),就可以確定出a0,a1,…,an共n+1個(gè)系數(shù),從而可以得到f(x)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
以蓄電池參數(shù)和交、直流電壓為例給出系統(tǒng)測試結(jié)果。測試用標(biāo)準(zhǔn)表為ESCORT3155A;測試用蓄電池為南都公司GFM200,并將其在額定負(fù)載情況下以0.1C放電率恒流放電所得到的容量作為標(biāo)準(zhǔn)容量;測試環(huán)境溫度均為18℃。蓄電池剩余容量測試結(jié)果如表1所列。
表1 蓄電池剩余容量測試結(jié)果
標(biāo)準(zhǔn)容量/Ah | 監(jiān)控單元實(shí)測容量/Ah | 絕對誤差/Ah | 相對誤差/% |
200.0 | 184.9 | -15.1 | 7.6 |
193.6 | 180.7 | -12.9 | 6.7 |
176.4 | 188.9 | +12.5 | 7.1 |
165.7 | 153.2 | -12.5 | 7.5 |
135.2 | 142.8 | +7.6 | 5.6 |
87.76 | 83.28 | -4.48 | 5.1 |
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,經(jīng)過最小二乘法擬和以后,測量結(jié)果基本接近離線測量結(jié)果。其精度完全可以滿足《通信電源和空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中的規(guī)定。
4 結(jié)語
蓄電池剩余容量的在線檢測對整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性都有著深遠(yuǎn)的影響。它也一直是國內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。本文給出了內(nèi)阻法測量蓄電池剩余容量的具體的實(shí)施方案,提出了一種在高噪聲情況下對蓄電池剩余容量在線檢測的改進(jìn)方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種改進(jìn)方法能夠在高噪聲下得到令人滿意的測量精度。
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