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本文研制以內(nèi)阻法為基礎(chǔ)的不斷電系統(tǒng)蓄電池電量估測系統(tǒng),，本系統(tǒng)藉由量測電池在充放電過程中的內(nèi)阻變化來預(yù)估電池的殘余電量,，此法不但可以快速偵測電池的殘余電量，并可以準(zhǔn)確預(yù)測其數(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)而開始使用環(huán)保,、無污染的用品，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*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,，zui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,。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*解決電源問題的必要設(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，未來對(duì)于蓄電池的供電要求勢必將會(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)使蓄電池有過充,、溫升過高的現(xiàn)象,，并且能延長蓄電池使用壽命,，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)換器的控制來達(dá)到快速充電的效果，并且利用電腦來監(jiān)測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)阻估測法采用方法為直流量測法,，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)量測示意圖
利用上述的方法可在蓄電池充電開始與充電結(jié)束和放電開始,、放電結(jié)束時(shí)，量測電池內(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,，并利用Matlab中曲線擬合法來求解其電池內(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)電量估測法的程式開始執(zhí)行時(shí),，先取得電池的端電壓是否大于10.5V，進(jìn)而決定是否要開始進(jìn)行內(nèi)阻偵測,，在確認(rèn)無誤后偵測電池是否開始充電或是放電,，等到電池有突升或是突降的狀態(tài)，利用電流檢測電路與電壓檢測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,，將估測的電量以LED表示，再以資料收集器記錄其估測電量的輸出變化,。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)阻估測法的演算流程圖
充電法則與電量估測
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,，照其規(guī)定的充電法是zui安全且zui有效率的充電方法，但所提供的方式花費(fèi)充電時(shí)間都過于冗長,。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
電池電量估測目的是在于偵測電池內(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)生過度充電與過度放電的情形,。
文中使用的方法為內(nèi)阻偵測法，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)來自我修正參數(shù),。因此,，內(nèi)阻量測法就是藉由量測電池在充放、電過程中內(nèi)阻的變化,，來進(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
但是電池內(nèi)電阻的變化相當(dāng)微小,，通常為毫歐姆，所以量測內(nèi)阻的儀器與設(shè)備,，其準(zhǔn)確度及精密度都要相當(dāng)高,，且需要無干擾的平臺(tái)下將可量測出較精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。
圖形化介面設(shè)計(jì)
LabVIEW通常被用來進(jìn)行資料采集,、儀器控制和工業(yè)自動(dòng)化,，它是使用圖像物件函數(shù)的方式編輯程式，取代傳統(tǒng)以文字編輯的方式，使得使用者更容易了解程式結(jié)構(gòu)的涵義,。另外LabVIEW系統(tǒng)也提供類比與數(shù)位的轉(zhuǎn)換功能,，但必須透過資料擷取介面卡，取得類比訊號(hào)之后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號(hào),，讓一般電腦能夠判讀所擷取的數(shù)位訊號(hào),。同樣的，也可以藉由介面的訊號(hào)轉(zhuǎn)換功能,，把電腦的指令由數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)為類比訊號(hào),，來驅(qū)動(dòng)被控制的物件，以達(dá)到訊號(hào)擷取與自動(dòng)控制的目的[8],。
本系統(tǒng)所采用的資料擷取介面卡為NI-Pad 6016,，具有200 kS/s取樣率、16個(gè)類比輸入,、32個(gè)數(shù)位I/O,、2個(gè)類比輸出、2個(gè)計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等多功能的DAQ(Data Acquisition)資料擷取卡,，其可接受的類比訊號(hào)的范圍為10V~-10V,。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文主要建構(gòu)一由市電提供電源經(jīng)由返馳式轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)降壓電路以脈沖充電法對(duì)電池充電的快速充電系統(tǒng),，搭配LabVIEW圖控式程式語言制作出一套即時(shí)監(jiān)控系統(tǒng),，透過電腦熒幕，使用者可以即時(shí)掌握鉛酸電池的使用情形,。本章節(jié)將根據(jù)前述的電路架構(gòu)與控制系統(tǒng),，證明脈沖充電器的快速充電性能，與電池電量估測的實(shí)驗(yàn),。
實(shí)驗(yàn)1 多階段充電器方面
圖9為整個(gè)充電歷程的充電電流與電池端電壓變化曲線圖,，由圖中得知曲線前段呈現(xiàn)持續(xù)上升，而當(dāng)電壓達(dá)到14V時(shí),，充電器控制進(jìn)入多階段充電模式,，并改以改變電池端充電電流對(duì)電池充電，如圖9的后段曲線所示,，整體充電時(shí)間為4,283秒,。
圖9 多階段脈沖充電法的充電電流與電池端電壓變化曲線圖
實(shí)驗(yàn)2 電池內(nèi)阻估測實(shí)驗(yàn)
圖10為電池內(nèi)阻對(duì)應(yīng)放電電流的關(guān)系變化圖，可觀察得知無論電池容量是在100%或是25%,，其電池內(nèi)阻對(duì)應(yīng)放電電流的關(guān)系并沒有太大的改變,，仍然維持一固定斜率。
圖10 電池內(nèi)阻與放電電流變化關(guān)系圖(電池容量為25%-100%)
而圖11為電池容量與電池內(nèi)阻的關(guān)系圖,，由圖中得知當(dāng)放電電流屬于大電流放電時(shí)所測得的電池內(nèi)阻相對(duì)的越小,，當(dāng)放電電流屬于小電流放電時(shí)，電池內(nèi)阻將會(huì)相對(duì)應(yīng)的增大。由上述可知當(dāng)電池容量有所變化時(shí)電池內(nèi)阻的變化量將會(huì)有較大幅度的變動(dòng),，但放電電流的變化量則是呈現(xiàn)小幅度的改變,。利用上述的電阻對(duì)應(yīng)容量的特性，可帶入電量估測方程式中當(dāng)做電池放電電流在不同的修正因素,。
圖11 電池容量與電池內(nèi)阻變化關(guān)系圖
實(shí)驗(yàn)3 電池電量估測實(shí)驗(yàn)
本章節(jié)的電池電量的估測實(shí)驗(yàn),，*階段采用前章節(jié)所述的充電器的架構(gòu)對(duì)電池充電，直到所設(shè)定的充滿情況充電電流將會(huì)降為零,，代表電池已充滿,，再利用1C對(duì)電池放電如圖12所示，放電時(shí)間為1,969秒,，與CSB電池廠商所提供的數(shù)據(jù)相差不多,，因此定義此容量為電池在1C下所能放的電池zui大電量100%，再利用內(nèi)阻估測法分別對(duì)75%,、50%,、25%做電池容量估測實(shí)驗(yàn)。
圖12 電池放電曲線(固定電流1C)
圖13為電池初始容量為75%下的電池電壓,、放電電流與電量估測曲線變化圖,，負(fù)載固定以1C對(duì)電池進(jìn)行放電，當(dāng)電池的端電壓達(dá)10.5V時(shí),，則判斷放電結(jié)束,，總放電時(shí)間為1,378秒，到放電結(jié)束后的電量估測值為2.14%,。
圖13 電池電壓,、電流與電量估測(電池初始容量75%)
圖14為電池初始容量為50%下的電池電壓、放電電流與電量估測曲線變化圖,，總放電時(shí)間為937秒,，電量估測值為3.4%。
圖14 電池電壓,、電流與電量估測(電池初始容量50%)
圖15為電池初始容量為25%下的電池電壓,、放電電流與電量估測曲線變化圖，總放電時(shí)間為442秒,，直到放電結(jié)束后的電量估測值為1.92%,。
圖15 電池電壓、電流與電量估測(電池初始容量25%)
第二階段采用在各種不同的放電電流下,，其電池殘余電量估測變化,。在實(shí)驗(yàn)開始前為確保電池已充滿電量,，先對(duì)電池用0.1C放電至10.5V,，再使用前述的多階段充電器對(duì)電池充電，直到電池電壓達(dá)到設(shè)定的條件為止，代表已充滿電量,，之后將電池靜置30分鐘,，等待電池內(nèi)的電解液濃度擴(kuò)散均勻，再開始以DC Load來進(jìn)行放電負(fù)載,。放電過程中記錄下電池的電壓,、放電電流以及電量估測值的變化。在實(shí)驗(yàn)中將以五種不同負(fù)載對(duì)電池進(jìn)行放電,，分別為輕載,、重載、輕載切換重載,、重載切換輕載,、與混合負(fù)載，使用內(nèi)阻量測法來估測電池的殘余電量,，直到電池電壓下降至10.5V,，判斷放電結(jié)束。
圖16為電池于輕載放電測試下的電池端電壓曲線,、放電電流與電量估測曲線變化曲線圖,，負(fù)載以3A的固定電流對(duì)電池進(jìn)行放電，總放電時(shí)間為6,790秒,，放電結(jié)束后的電量估測值為1.25%,。圖17為電池于重載放電測試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測曲線變化曲線圖,，負(fù)載以9A的固定電流對(duì)電池進(jìn)行放電,，總放電時(shí)間為1,512秒，放電結(jié)束后的電量估測值為-2.38%,，其中估測值為負(fù)的意思為其預(yù)估時(shí)間比實(shí)際放電時(shí)間長,。
圖18為電池于輕載切換重載放電測試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測曲線變化曲線圖,，負(fù)載先以3A的固定電流對(duì)電池進(jìn)行放電之后再用9A對(duì)電池進(jìn)行放電,，總放電時(shí)間為2,728秒，放電結(jié)束后的電量估測值為-2.1%,。圖19為電池于重載切換輕載放電測試下的電池端電壓曲線,、放電電流與電量估測曲線變化曲線圖，負(fù)載先以9A的固定電流對(duì)電池進(jìn)行放電之后再用3A對(duì)電池進(jìn)行放電,，總放電時(shí)間為4,554秒,，放電結(jié)束后的電量估測值為-2.3%。
圖20為電池于混合負(fù)載放電測試下的電池端電壓曲線,、放電電流與電量估測曲線變化曲線圖,，負(fù)載先以10A的固定電流對(duì)電池進(jìn)行放電,，之后再用4A對(duì)電池進(jìn)行放電，zui后用9A對(duì)電池進(jìn)行放電,，總放電時(shí)間為2,410秒,，放電結(jié)束后的電量估測值為-2.6%。
圖19 電池電壓,、電流與電量估測(混合負(fù)載)
實(shí)驗(yàn)4 LabVIEW圖形化介面與功能
圖21為LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)的前置面板,，具有即時(shí)數(shù)位值顯示、過保護(hù)警示燈與資料擷取儲(chǔ)存與殘量偵測功能等功能,。
圖21 圖形化介面監(jiān)控系統(tǒng)的前置面板
圖22為參數(shù)實(shí)際量測圖,，由圖中觀察得知其電池的端電壓變化與端電流的變化狀況，并提供給使用者得知現(xiàn)在電池處于充電或放電的狀態(tài)顯示燈,，與具有顯示電池端電壓是否異常的燈號(hào),。在畫面下方顯示即時(shí)的電壓與電流平均數(shù)據(jù)與平均功率。
圖22 圖形化介面監(jiān)控系統(tǒng)-實(shí)際量測圖
若是當(dāng)電池端電壓發(fā)生異常如端電壓小于10.5V會(huì)產(chǎn)生一警示信號(hào)給使用者表示目前的問題如圖23,，表示現(xiàn)在發(fā)生的問題狀態(tài),，同時(shí)產(chǎn)生一組數(shù)位I/O訊號(hào)給控制器，控制器接收到這組訊號(hào)后,，便會(huì)命令轉(zhuǎn)換器的所有開關(guān)截止,，以保護(hù)鉛酸電池。殘余電量顯示方面,，當(dāng)電池電壓有所變化時(shí),，畫面右方的殘余容量顯示器則會(huì)相對(duì)應(yīng)顯示現(xiàn)在殘余電量，告知使用者現(xiàn)在電池的剩余容量,。
圖23 圖形化介面監(jiān)控系統(tǒng)-警告說明
在資料儲(chǔ)存方面,，資料可以儲(chǔ)存為Excel、Txt或Word等類型的檔案,，程式開始時(shí)在內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生一文件檔將資料儲(chǔ)存,，而本文儲(chǔ)存檔案的類型為Excel檔，儲(chǔ)存格式如圖24所示,。zui后使用者欲停止程式時(shí),，只需按下左上方的STOP鍵，便可停止LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)的操作,。
圖24 圖形化介面的資料儲(chǔ)存畫面
結(jié)語
本文研制一以DSP為核心的具有改善傳統(tǒng)充電器性能的快速充電電路,，并具有電量估測性能的充電器系統(tǒng)。在充電器方面具有以下特點(diǎn)：1.充電初期以較大的電流對(duì)電池充電,，以縮短電池的充電時(shí)間;2.充電后期改以多階段定電流對(duì)電池充電,，使充電中的電池不致于發(fā)生過充的情形而損壞。
內(nèi)阻估測法特點(diǎn)為：1.本系統(tǒng)只需有電壓與電流的變化即能測得電池內(nèi)阻,，進(jìn)而得知電池的容量變化,，不需先得知電池是否已充滿的問題;2.文中說明了在放電電流大小不同的狀況下其變化斜率的特性,，與放電初期瞬間或是放電結(jié)束瞬間來偵測電池內(nèi)阻值會(huì)有一較佳的表現(xiàn)，為此方法的優(yōu)點(diǎn);3.內(nèi)阻估測法要求的精準(zhǔn)度問題略微偏高,，要在無干擾環(huán)境之下才能有較佳的表現(xiàn)，且在產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)上需有*的技術(shù)要求,，若把其他種類的殘量偵測法結(jié)合內(nèi)阻偵測法相信可得一較為準(zhǔn)確的殘量偵測系統(tǒng),。
在圖形化介面方面有下列特點(diǎn)：1.可隨時(shí)監(jiān)控電池端的電壓與電流，同時(shí)可計(jì)算其內(nèi)阻值的變化,，與即時(shí)顯示電池殘余容量,，并記錄成Excel檔案可供使用者隨時(shí)觀看得知電池電量的變化狀況;2.系統(tǒng)中具有警示的功能，當(dāng)電池發(fā)生異常時(shí),，系統(tǒng)將會(huì)偵測錯(cuò)誤以顯示錯(cuò)誤情況;并送信號(hào)給數(shù)位信號(hào)處理器令其停止充電或放電,，同時(shí)告知用戶端發(fā)生異常的狀況。