CN102967831B - 一种铅酸蓄电池性能在线检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种铅酸蓄电池性能在线检测系统及检测方法，对待测铅酸蓄电池性能指标进行在线检测，DSP控制模块分别经电源驱动电路、电压控制电路连接测试电源，DSP控制模块和上位机处理单元相连接，CPLD采集模块经A/D转换电路和信号调理电路连接待测铅酸蓄电池，测试电源与测试内阻和定时开关串联后加于标准测试电感两端上组成冲击电压发生器，标准测试电感与补偿电压串联后接在待测铅酸蓄电池两端，以衰减振荡波形的衰减指数、振荡频率、波形面积、电阻值作为BP神经网络的输入层神经元，以SOC、剩余容量和电容值作为输出层神经元，得到3个输出量的值；检测过程中未对铅酸蓄电池进行大电流充放电，对铅酸蓄电池无损耗。

Description

一种铅酸蓄电池性能在线检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池性能检测技术，具体是对待测铅酸蓄电池性能指标进行在线检测的方法。

背景技术

铅酸蓄电池在汽车、通信、牵引等诸多领域都有广泛的应用，虽然铅酸蓄电池与技术先进的锂电池、镍氢电池等相比，其能量低、深循环寿命短，但由于其功率特性好、自放电小、高低温性能优越、生产和回收技术成熟以及具有廉价优势，仍然是二次电池的主流产品。然而，相应的铅酸蓄电池检测技术的发展却比较滞缓，已有的铅酸蓄电池检测方法有电压测量法、核对放电法、在线快速容量测试法（电池巡检法）、比较普及的电导（内阻）测量法，这些检测方法分别有以下明显的不足：

（1）在浮充状态下，由于坏电池或者落后电池与正常电池的电压没有太明显区别，也没有太好的规律性可言，即便是浅度放电状态，单纯通过电压高低不足以判别电池性能的好坏。因此，铅酸蓄电池电压测量法，很快被其他的检测方法取代。

（2）传统的核对放电设备普遍采用电阻丝或者水阻进行核对放电，并且是人工操作，程序繁琐，存在一定的人身危险，这种传统的核对放电试验方式正在逐步被淘汰。目前，国内外普遍采用智能核对放电技术，该技术利用PWM控制原理，根据放电过程中电池组放电电压的变化，对放电假负载可以进行实时调整，以保证电池组恒流放电。核对放电法具有容量测试准确可靠的优点，缺点是：①核对放电时间长，风险大，电池组须脱离系统，铅酸蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，并且增加了系统断电风险；②进行核对性放电试验，必须具备一定条件，首先，尽可能在市电基本保障的条件下进行；其次，机房必须有备用电池组，所以更适于具备一主一备电池组结构的机房。③目前，核对放电只能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量，而其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来。④频繁地对铅酸蓄电池进行深放电，会产生硫酸铅沉淀，导致极板硫酸化，容量下降，电池落后，因此，不适宜对铅酸蓄电池频繁进行深放电。所以，核对放电只能对铅酸蓄电池进行定期维护，无法满足日常维护的需要。

（3）在线快速容量测试法（电池巡检法），操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池，但测试精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。同时测试要求较高，如要达到一定的测试精度，则测试环境一般应满足包括放电因素在内的系列条件，而测试环境实际情况却各有差别，大多达不到相应的测试要求。

（4）电导法能准确查出完全失效的电池，根据电池电导值或者内阻值，可以在一定程度上确定电池的性能，但对于电池的好坏程度，却不足以准确地测算出电池的实际性能指标，尤其是容量指标。

总之，单纯靠电池端电压来了解电池性能的方法已经被淘汰，而依据在线测试法对电池进行容量测试的手段还不够准确和可靠，所以了解电池的实际容量最准确的方法是通过放电检测的手段来进行，核对放电试验目前仍是唯一被公认的测试剩余容量的最有效方法，它是衡量铅酸蓄电池在关键时刻能否发挥作用，确保通信畅通与生产正常的重要手段。但由于风险大，时间过长，工作量过大，不宜作为日常检验的测试仪器，只宜作为电池组以一年一度或者三年一度的核对放电测试。因此，探索一种快速、准确、可靠和安全的铅酸蓄电池测试技术，已成为目前本领域的迫需要解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种普适无损、可在线且精度高的铅酸蓄电池性能检测系统及检测方法。

本发明的一种铅酸蓄电池性能在线检测系统采用的技术方案是：DSP控制模块分别经电源驱动电路、电压控制电路连接测试电源，DSP控制模块还和上位机处理单元相连接，CPLD采集模块经A/D转换电路和信号调理电路连接待测铅酸蓄电池， CPLD采集模块还连接RAM；所述测试电源与测试内阻R₁和定时开关S₁串联后加于标准测试电感L₁两端上组成冲击电压发生器，标准测试电感L₁与补偿电压V₂串联后接在所述待测铅酸蓄电池的两端，补偿电压V₂与待测铅酸蓄电池开路电压相同，测试电源的电压大小在待测铅酸蓄电池的耐压值范围之内。

本发明的铅酸蓄电池性能在线检测系统的检测方法的技术方案是采用如下步骤：1）测试电源在DSP控制模块的控制下产生大小与测试电源匹配的电压，闭合时控开关S₁，测试电源对标准电感L₁充电，断开时控开关S ₁，标准测试电感L₁两端产生一标准的冲击测试信号，施加在待测铅酸蓄电池上形成衰减振荡；

2）衰减振荡波形经信号调理电路调整和A/D转换电路转换后送至CPLD采集模块，暂存于RAM中，DSP控制模块经CPLD采集模块读取测试数据；

3）上位机处理单元对DSP控制模块读取的测试数据进行综合分析，计算出待测铅酸蓄电池的内阻值，以衰减振荡波形的衰减指数、振荡频率、波形面积、电阻值作为BP神经网络的输入层神经元，以SOC、剩余容量和电容值作为输出层神经元，建立评价待测铅酸蓄电池特征的专家数据库，实时更新数据库，由4个输入量直接得到3个输出量的值。

本发明的优点在于：检测过程中未对铅酸蓄电池进行大电流充放电，所以对铅酸蓄电池无损耗；调节可控电阻的值，可对多种型号的铅酸蓄电池进行检测；在铅酸蓄电池两端加上一个合适的脉冲信号，可以在线检测铅酸蓄电池的电阻和电容等属性；基于内阻测量法，从而保证了使用初期即可对铅酸蓄电池的性能状况进行判断；利用神经网络自学习能力，实现了全程电压自适应和高精度测试。

附图说明

图1为待测铅酸蓄电池性能检测系统连接原理图；

图2为图1中待测铅酸蓄电池与测试电源的测试电路图；

图3为图1中信号调理电路、A/D转换电路以及CPLD组成的电压采集模块的主电路图；

图4为BP网络结构图。

具体实施方式

参见图1所示的待测铅酸蓄电池性能检测系统，该检测系统包括相连的DSP控制模块和CPLD采集模块，DSP控制模块分别经电源驱动电路、电压控制电路连接测试电源，DSP控制模块还分别与液晶显示单元和上位机处理单元相连接。CPLD采集模块经A/D转换电路和信号调理电路连接待测铅酸蓄电池，CPLD采集模块通过信号调理电路和A/D转换电路对待测铅酸蓄电池的电压进行采集，CPLD采集模块还连接RAM。

参见图2，其中虚线框内的部分为待测铅酸蓄电池的等效电路，测试电源是直流电压源V₁，直流电压源V₁的大小在待测铅酸蓄电池的耐压值范围之内，直流电压源V₁与一大小合适的测试内阻R₁和定时开关S₁串联后，加于一标准测试电感L₁两端上，共同组成冲击电压发生器，产生一标准的测试电流。将标准测试电感L₁与一补偿电压V₂串联后接在待测铅酸蓄电池的两端，其中补偿电压V₂的值与待测铅酸蓄电池开路电压大小相同。由于待测铅酸蓄电池外接电路和内部存在耗能元件，从而形成衰减振荡。

参见图3，信号调理电路采用多通道，选用TI公司的OP07芯片，OP07芯片是一种低噪音、非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路，其低失调、高开环增益的特性使得OP07芯片特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。以通道CH0为例，电路结构采用差分式减法电路。电阻R21作为反馈电阻，一端连接OP07 芯片的反向输入端，另一端连接OP07芯片的输出端；电阻R22、R23分别与OP07芯片的反向和同向输入端相连；电阻R24一端接地、另一端接OP07芯片的同向输入端。其中                                               ，电路放大倍数为。电压跟随器作为放大电路与A/D转换器的中间隔离级，降低测量误差。其同向输入端与OP07芯片的输出端相连，而反向输入端与输出端相连，且其输出作为A/D转换电路的输入。其他通道类似。A/D转换电路采用Maxim公司的MAX1148芯片，MAX1148芯片是一种多通道、真差分、8通道、14位逐次逼近、串行输出模／数转换器，具有单电源供电、自带内部基准电压、转换精度高、转换速率快、功耗低、外围电路简单、占用微处理器资源少、易于连接等优点。其中MAX1148芯片输入信号、串行数据输入DIN、外部时钟SCLK和串行触发输出SSTRB从CPLD采集模块读取，而串行数据输出DOUT端的数据直接传送给CPLD采集模块。  

上述检测系统在对待测铅酸蓄电池性能进行在线检测的检测方法如下：

第一步：测试电源在DSP控制模块的控制下，产生一个足够驱动功率并与测试对象匹配的电压，电压大小是图2中的直流电压源V₁的电压大小。在测试系统中，根据检测对象的不同，选择合适的测试内阻R₁与测试电源串联。然后将该测试电源加于一标准测试电感L₁两端上，产生一标准的测试电流。电路如图2所示：测试电源V₁与时控开关S₁、标准电阻R₁和标准测试电感L₁串联，组成一冲击信号发生器。设定时控开关闭合的时间不低于5ms。当时控开关S₁闭合时测试电源对标准电感L₁充电（测试电源的值应在待测铅酸蓄电池的耐压范围内），当时控开关S ₁断开时，标准测试电感L₁两端产生一标准的冲击测试信号。

第二步：根据待测铅酸蓄电池现状，加入一与蓄电池开路电压大小相同的补偿电压V₂。在测试按键按下后，系统开始测试。此时系统断开测试电源，将标准的冲击测试信号施加在待测铅酸蓄电池上，形成衰减振荡。若衰减波形产生的较慢，可选择一电容串联在回路中。如图2所示：极性电容C₁与可变电阻R₂的串联为待测铅酸蓄电池的等效模型，将补偿电压V₂（与待测铅酸蓄电池开路电压大小相同）与待测铅酸蓄电池串联,然后与标准测试电感L₁并联。此时系统断开测试电源即直流电压源V₁，使标准测试电感L₁电感电流与待测铅酸蓄电池形成放电回路，由于待测铅酸蓄电池中存在电阻消耗电流产生衰减振荡。

第三步：衰减振荡波形经信号调理电路调整到合适的大小，送给A/D转换电路，对信号模数转换，转换后的信号由CPLD采集模块进行采集，暂时存储于RAM中。待测试完成后，DSP控制模块再经CPLD采集模块读取测试数据。

第四步：上位机处理单元通过Matlab软件和BP多层网络实现待测铅酸蓄电池性能的综合分析，对DSP控制模块读取的测试数据进行综合分析。用Matlab软件计算波形的特征值：衰减指数ζ、波形面积S、振荡频率f和初相位ф，根据衰减振荡波形，通过常规公式可计算出待测铅酸蓄电池的内阻值。通过实验数据对照已有内阻检测法中内阻值与SOC、剩余容量之间的关系，分析待测铅酸蓄电池的SOC和剩余容量状态。在此基础上以衰减指数ζ、振荡频率、波形面积S、电阻值作为BP神经网络的输入层神经元，以SOC、剩余容量和电容值作为输出层神经元，如图4所示。建立评价待测铅酸蓄电池特征的专家数据库，并通过实测比对不断修正能表征待测铅酸蓄电池性能的特征数据库，实时更新学习样本。最终实现由4个输入量直接得到3个输出量的值，提高分析的便捷性和准确性。

Claims (4)

1.一种铅酸蓄电池性能在线检测系统，其特征是：DSP控制模块分别经电源驱动电路、电压控制电路连接测试电源，DSP控制模块还和上位机处理单元相连接，CPLD采集模块经A/D转换电路和信号调理电路连接待测铅酸蓄电池， CPLD采集模块还连接RAM；所述测试电源与测试内阻R₁和定时开关S₁串联后加于标准测试电感L₁两端上组成冲击电压发生器，标准测试电感L₁与补偿电压V₂串联后接在所述待测铅酸蓄电池的两端，补偿电压V₂与待测铅酸蓄电池开路电压相同，测试电源的电压大小在待测铅酸蓄电池的耐压值范围之内。

2.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池性能在线检测系统，其特征是：信号调理电路采用OP07芯片，电阻R21一端连接OP07 芯片的反向输入端，另一端连接OP07芯片的输出端；电阻R22、R23分别与OP07芯片的反向和同向输入端相连，电阻R24一端接地、另一端接OP07芯片的同向输入端，电压跟随器同向输入端与OP07芯片的输出端相连，反向输入端与输出端相连，且电压跟随器输出是A/D转换电路的输入。

3.根据权利要求1所述的一种铅酸蓄电池性能在线检测系统，其特征是：

A/D转换电路采用MAX1148芯片，MAX1148芯片输入信号                                                、串行数据输入DIN、外部时钟SCLK从CPLD采集模块读取，串行触发输出SSTRB输入CPLD采集模块，串行数据输出DOUT端的数据直接传送至CPLD采集模块。

4.一种如权利要求1所述铅酸蓄电池性能在线检测系统的检测方法，其特征是具有如下步骤：

1）测试电源在DSP控制模块的控制下产生大小与测试电源匹配的电压，闭合时控开关S₁，测试电源对标准电感L₁充电，断开时控开关S ₁，标准测试电感L₁两端产生一标准的冲击测试信号，施加在待测铅酸蓄电池上形成衰减振荡；

2）衰减振荡波形经信号调理电路调整和A/D转换电路转换后送至CPLD采集模块，暂存于RAM中，DSP控制模块经CPLD采集模块读取测试数据；

3）上位机处理单元对DSP控制模块读取的测试数据进行综合分析，计算出待测铅酸蓄电池的内阻值，以衰减振荡波形的衰减指数、振荡频率、波形面积、电阻值作为BP神经网络的输入层神经元，以SOC、剩余容量和电容值作为输出层神经元，建立评价待测铅酸蓄电池特征的专家数据库，实时更新数据库，由4个输入量直接得到3个输出量的值。