高噪声下电池剩余容量在线检测方法的改进

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作者：张恩利侯振义|来源：中国电源|输入： better |阷览： 46次|更新： 2005-7-29

摘要：首先指出了传统几种电池剩余容量检测方法的缺点：局限性大、计算困难、对系统影响大等。 其次，分析了内阻法测量蓄电池剩余容量的方法，给出了具体实施方案，讨论了该方案的优缺点。 最后提出了高噪声下在线检测电池剩余容量方法的改进方案。 实验结果证明了该改进方法的有效性。　引言0

电池电量是用户最关心的问题之一，与整个供电系统的*可能性密切相关。 电池电量越高，系统的可*性就越高。 因此，在不消耗电池能量且不影响用电设备正常工作的情况下，实时在线检测电池的剩馀容量具有重要意义。

蓄电池是一个复杂的电化学系统，在不同负载条件或不同环境温度下运行时，实际可释放的剩余容量不同； 此外，随着电池使用时间的延长，容量也会降低。 通常，根据蓄电池的电解液密度推测剩馀容量，但这种方法有很大的局限性。 在蓄电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断裂，很难正确推测剩余容量。 同时，该方法也难以适应目前广泛应用的VRLA蓄电池在线检测。 在近年来常用的几种电池电量检测方法中，对于在线使用的电池来说，内阻法对系统的影响最小，在电池使用期间能准确测量，因此内阻法被认为是一种理想的方法。 然而，在高噪声下，发现实际测量的电池剩馀容量精度还不够，因此改进高噪声下电池剩馀容量在线检测方法势在必行。1内阻法预测剩余容量的实施方案大量研究结果表明，电池内阻与荷电程度之间存在良好的相关性。 美国GNB公司对容量200~1000Ah、电池组电压18~360V的约500个VRLA蓄电池进行了测试，实验结果表明，蓄电池内阻与容量的相关性非常好，相关系数可达88%。 随着电池充电过程的推进，内阻逐渐减小；

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内阻法预测剩余容量的具体实施方法为：首先，将蓄电池充满电(以2V蓄电池为例，充电至2.23V，悬浮充电电流充电至10mA )，然后以0.1C的放电率使蓄电池放电，记录放电中的内阻和剩余容量的大小。 得到蓄电池放电结束时(2V蓄电池放电至1.80V )的完整放电曲线，即剩余容量与蓄电池内阻的对应关系。 将该曲线存入电池监测系统的闪存中，在以后测试同型号、同型号电池时，处理器根据在线测试得到的内阻，通过查表计算得出其剩余容量。 因此，该方法的关键是如何在线测量电池内阻。电池内阻的测量原理是在电池两端加一定的交流音频电流源Is，然后检测其端电压Vo与Is和Vo之间的角度。 显然，蓄电池的交流阻抗为Z=Vo/Is，R=Zcos是我们准备获取的蓄电池内阻。 其具体实现方案如图2所示。图2内阻法预测剩余电量的实现

图中的300Hz信号发生电路由14位2进制串行计数/分频器CD4060和带通滤波器电路组成，具体电路如图3所示。图3 300Hz信号发生电路2高噪声情况下在线测量方法的改进

采用上述方法测量电池剩余容量具有较高的精度，离线测量时误差优于7%。 但实时在线测量表明，实际测量的电池剩余容量精度不够高，有时误差甚至超过10%。 是什么原因引起了这个误差呢？ 为此，分别对电池的几种工作状态，即供电正常时的浮置状态、市电故障时的放电状态以及逆变器故障时的状态进行了测试，发现逆变器故障时可以达到与离线测试时基本相同的精度。 迄今为止，判断精度降低的原因是逆变器的反馈噪声引起的，为此虽然试图使用低通滤波器(截止频率1kHz )来提高测试精度，但是效果并不理想，逆变器的反馈噪声主要是1 kkhz考虑到提前测试得到n个标准内阻，可以在软件上采用最小二乘拟合的方法进行数据修正。 最小二乘问题是为了使f(x )和标准值y之差的平方和最小而找到保留函数f ) x )，即s=[yi-f(Xi ) ]2)1)

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f(x )=a0 a1x . anxn=aixi(2) ) ) ) ) ) ) ) ) ) f(x )=A0 a1x . ) ) ) ) ) ) f ) ) ) f ) 65 )然后，取出在测试中得到的n个标准内部电阻值，y1、y2、yn； 因此，式(1)为s=[a0 a1Xi . anxni-yi]2(3) )

根据微积分中极值的原理，为了使公式(3)最小，每个系数的偏导数必须为0。 也就是说：(4) ) )。因为这个式子有n 1个方程式，所以能解n 1个未知数。 将式(3)代入式(5)进行简化就可以得到(5) ) )。

最后，将测试中实测得到的n个电阻值x1，xn和n个标准内部电阻值y1，y2，yn代入式(5)中，决定a0，a1，an的合计n 1个系数，得到f(x )。3实验结果

与蓄电池参数相交，以直流电压为例给出系统测试结果。 测试标准表为ESCORT3155A； 测试用蓄电池为南都公司GFM200，将其在额定负载下以0.1C放电率进行恒流放电而得到的容量作为标准容量； 测试环境温度均为18。 电池残馀容量的测试结果如表1所示。表1电池残馀容量测试结果标准容量/a

监控单元实测容量/a绝对误差/a

相对误差/%200.0184.9-15.17.6193.6180.7-12.96.7176.4188.912.57.1165.7153.2-12.57.5135.2142.87.65.6

87.7683.28-4.485.1

实验结果表明，最小二乘法仿真和随后测量结果基本接近离线测量结果。4打结

电池电量的在线检查对整个供电系统的*可能性有很大的影响。 也是国内外研究的热点和难点。 本文给出了内阻法测量电池剩余容量的具体实施方案，提出了高噪声下电池剩余容量在线检测的改进方案。 实验结果证明，该改进方法在高噪声下能获得良好的测量精度。