CN103176134A - 在线估算蓄电池容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在线估算蓄电池容量的方法，包含如下步骤：1)分两次采用直流加载法检测蓄电池内电流，并计算蓄电池内阻；2)采用在线测量法检测蓄电池电动势；3)采用交流法分两次检测蓄电池正负极板间的等效电路阻抗；4)根据步骤3)的检测结果计算蓄电池极板间电容；5)根据步骤1)至4)中所得到的蓄电池内阻、蓄电池电动势和蓄电池极板间电容的结果估算蓄电池容量。该方法无需将蓄电池从浮充线路中断开就可以快速准确地在线估算蓄电池容量。

Description

在线估算蓄电池容量的方法

技术领域

本发明涉及一种在线估算蓄电池容量的方法，特别涉及一种通过在线测试电动势、内阻和电容来估算蓄电池容量的方法。

背景技术

当前的通信基站普遍使用铅酸蓄电池作为后备电源，这些铅酸蓄电池正常工作时都处于浮充状态，即蓄电池组与电源线路并联地连接到负载电路上。在正常的运行状态下，与直流母线相连的充电装置，除对常规负载供电外，还向蓄电池组提供充电电流，一旦通信基站发生断电事故，蓄电池会持续地供电。足够的蓄电池容量是作为后备电源的一个重要指标。由于铅酸蓄电池本身的物理和化学特性会随着使用和长期存放而发生变化，并最终造成电池容量的下降，尤其是环境温湿度过高、过度放电、长期充电不足等更容易造成铅酸蓄电池的容量过早下降，所以需要周期性地对铅酸蓄电池进行检测，以保障通信基站的正常工作。

传统的检测铅酸蓄电池容量的方法中最具代表性的是离线容量测试法，即将蓄电池从基站的供电系统中脱离开(即离线)，然后进行放电测试。这种方法可以得到比较准确的容量数值，但是测试过程费时耗电，效率很低，并且操作起来也很麻烦，在一些偏远地方的基站中采用这种方法尤其耽误工作者的宝贵时间。

为了克服测试效率低下的缺陷，还有一种在线测试铅酸蓄电池容量的方法也常被采用。这种方法利用了铅酸蓄电池的内阻和容量之间的对应关系，在不需要蓄电池离线的情况下直接对处于浮充状态的铅酸蓄电池的内阻进行测定，然后利用此内阻阻值来估算蓄电池容量。整个方法的操作非常简便，费时也比较短，但是，由于浮充时蓄电池中的电流值比较高，而铅酸蓄电池的内阻在容量处于50～100％的范围内时变化非常小，普通的测试内阻工具又不能很好地测试出这个范围内的内阻变化，这样一来浮充电流的存在就会较为严重地影响到测试结果的精确度，所以这种在线测试方法并不能满足实际的要求。

因此，希望能够出现一种能够同时满足效率和精度要求的蓄电池容量测试方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述现有技术中的缺陷，提供一种无需将蓄电池从浮充线路中断开就可以快速准确地在线估算蓄电池容量的方法。

为实现上述目的，本发明公开如下技术方案：

一种在线估算蓄电池容量的方法，包含如下步骤：

1)分两次采用直流加载法检测蓄电池内电流，并计算蓄电池内阻；

2)采用在线测量法检测蓄电池电动势；

3)采用交流法分两次检测蓄电池正负极板间的等效电路阻抗；

4)根据步骤3)的检测结果计算蓄电池极板间电容；

5)根据步骤1)至4)中所得到的蓄电池内阻、蓄电池电动势和蓄电池极板间电容的结果估算蓄电池容量。

进一步地，所述步骤1)中包括：在浮充状态下向蓄电池的正负极上先后两次分别施加不同的直流电压，并测试施加各直流电压时对应的蓄电池电流，用该两次施加的直流电压之差除以测试得到的两个蓄电池电流之差，计算得到蓄电池的内阻值。

进一步地，所述步骤2)中包括：检测蓄电池上的浮充电流，并向蓄电池的两极上施加一个与该浮充电流等值反向的电流，使蓄电池的内阻电流为零，测试此时的蓄电池电动势。

进一步地，所述步骤3)中的两次检测中所采用的交流电频率分别为5赫兹和15赫兹。优选地，所述步骤4)中极板间电容的计算方程式为C＝(1/Z₁₅-1/Z₅)/62.8，其中：C代表所述极板间电容，Z₁₅代表所述步骤3)中采用15赫兹交流电时测得的等效电路阻抗，Z₅代表所述步骤3)中采用5赫兹交流电时测得的等效电路阻抗。更优选地，所述步骤4)中还包括根据步骤3)的检测结果计算蓄电池的极化电阻步骤，该步骤中极化电阻的计算方程式为r_j＝2/(3/Z₅-1/Z₁₅)，其中：r_j代表所述极化电阻，Z₁₅代表所述步骤3)中采用15赫兹交流电时测得的等效电路阻抗，Z₅代表所述步骤3)中采用5赫兹交流电时测得的等效电路阻抗。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、分两次采用直流加载法检测蓄电池内电流时，用两次施加的直流电压之差除以测试得到的两个蓄电池电流之差，就可以去除测试结果中所包含的浮充电流的干扰，从而能够在浮充状态下应用直流放电法测量蓄电池内阻，不仅测试过程和计算过程简单快捷，还能够得到足够精确的蓄电池内阻值；

2、采用在线测量法检测蓄电池电动势时，只需要提供一个与浮充电流等值反向的电流即可使蓄电池内的等效电流为零，从而可以排除干扰，快速准确地测得蓄电池的电动势；

3、使用5赫兹和15赫兹的低频交流小信号测试蓄电池等效阻抗，能够精确地计算出正负极板间的电容值和极化电阻值；

4、蓄电池的内阻可以看作是由基本不变的物理电阻部分和随着蓄电池的电化学性能变化而变化的极化电阻两部分组成，其中的极化电阻阻值可以用来在判断蓄电池容量时作为一种参考数据，以便使最终的结果更为准确；

5、综合利用蓄电池的电动势、内阻和正负极板间电容值与蓄电池容量的对应关系，可以在蓄电池容量曲线表中对蓄电池容量作出充分地判断，比起现有的单一参数估算方法要更为精确，判断的过程也很简单快捷。

附图说明

图1是在线估算蓄电池容量的方法示意图；

图2表示蓄电池的电学参数和蓄电池容量的对应关系；

图3是蓄电池的等效电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。考虑到一般的通信基站都使用铅酸蓄电池作为备用电源，因此在本实施方式中，所提及的“蓄电池”均指铅酸蓄电池，但是，应当理解，本实施例所公开的技术方案并不仅仅限于此，对于其他具有类似电化学特性的蓄电池也同样可以适用。

一种在线估算蓄电池容量的方法，如图1所示，包含如下步骤：

1)分两次采用直流加载法检测蓄电池内电流，并计算蓄电池内阻；

2)采用在线测量法检测蓄电池电动势；

3)采用交流法分两次检测蓄电池正负极板间的等效电路阻抗；

4)根据步骤3)的检测结果计算蓄电池极板间电容和极化电阻；

5)根据步骤1)至4)中所得到的蓄电池内阻、蓄电池电动势和蓄电池极板间电容的结果，在蓄电池容量曲线表中查找与此检测结果相对应的蓄电池容量。

上述步骤5)中，为了得到更为精确的结果，还可以参考步骤4)中计算得出的蓄电池极化电阻来配合其他参数在蓄电池容量曲线表中确定蓄电池容量。

由于蓄电池本身具有的物理电学特性和电化学特性，可以将一只蓄电池等效成为图3所示的电路。图3中的E代表蓄电池电动势；C代表蓄电池电容；r⁺和r^-分别代表正极和负极上的极柱、板栅和活性物质的欧姆电阻，这部分的电阻阻值比较稳定，在整个蓄电池的寿命周期中变化不大；r_j代表蓄电池的极化电阻，是蓄电池的电解液电阻、隔膜电阻、浓差极化电阻和电化学极化电阻之和，这部分电阻的阻值随着蓄电池的电化学特性变化而变化，而电化学特性又是影响蓄电池容量的主要因素，所以也可以认为这部分电阻阻值的变化和蓄电池的容量之间存在一定的对应关系。用R来表示整只蓄电池的内阻，则存在如下对应关系：

R＝r⁺+r^-+r_j......方程一

由于蓄电池技术已经发展了很多年，所以有关蓄电池的各个电学参数和蓄电池容量的对应曲线，即蓄电池容量曲线表，已经是具有相当精确度的公知内容了。图2就是一张蓄电池容量曲线表的示意图，图中的R代表蓄电池内阻，E和C与图3中的定义一致。由于不同蓄电池的性能曲线表上的数值对应比例也不一样，所以图2仅仅给出了代表蓄电池容量从高到低变化的横坐标，而略去了代表各个电学参数(E、R、C)具体数值的纵坐标，仅作为原理示意之用。在图3中，R与蓄电池容量的对应关系之所以会在后半部分发生明显变化，主要是由于R中的极化电阻r_j所造成，所以也可以用r_j来替换R，其曲线的变化趋势不会有明显改变。

在图1所示的步骤1)中，所述直流加载法是指浮充状态下对蓄电池的正负极上施加一个直流电压，然后测试此时的蓄电池电流。步骤1)具体的过程包括：在浮充状态下向蓄电池的正负极上先后两次分别施加不同的直流电压(用U₁和U₂表示)，并测试施加U₁和U₂时对应的蓄电池电流(用I₁和I₂表示)，则R的阻值可以用下面的方程计算得出：

R＝(U₁-U₂)/(I₁-I₂)......方程二

由于浮充时，蓄电池内存在交流的浮充电流，因此用方程二可以从步骤1)的测试结果中剔除浮充电流的干扰，只剩下纯直流的电压和电流部分，这样就能够得到R的准确阻值。

在图1所示的步骤2)中，所述在线测量法具体包括：检测蓄电池上的浮充电流，并向蓄电池的两极上施加一个与该浮充电流等值反向的电流，使蓄电池内阻R中的电流为零，测试此时的蓄电池电动势E。由于浮充电流已被抵消，在R上不存在干扰电动势，所以此时的E是准确数值。

在图1所示的步骤3)中，在施加了交流电的情况下用设备测出蓄电池的等效阻抗(用Z表示)。两次检测中所采用的交流电频率(用f表示)分别为5赫兹和15赫兹，均是施加在蓄电池的正负两极上。在施加了交流电的情况下，Z和蓄电池的电容C之间存在的对应关系可以用以下方程表示：

Z＝r⁺+r^-+1/(1/r_j+2πfC)......方程三

方程三中的π是圆周率。用Z₅和Z₁₅分别表示5赫兹和15赫兹时的等效阻抗，则从方程三可以推导出C的计算方程：

C＝(1/Z₁₅-1/Z₅)/62.8......方程四

还可以推导出极化电阻r_j的计算方程：

r_j＝2/(3/Z₅-1/Z₁₅)......方程五

将测到的Z₅和Z₁₅的数值分别代入方程四和五中，就可以得到C和r_j的数值，并且和方程二的原理类似，方程四和五所得到的计算结果都剔除了浮充电流的干扰，结果很精确。利用测试得到的E、计算得到的R和C就可以在图2所示的曲线中查找对应的蓄电池容量，100％代表性能最好，0则代表蓄电池失效。另外，还可以利用r_j和蓄电池容量之间的对应关系来对前面的查找结果进行验证，从而进一步提高最终结果的精确度。

由于上述测试方法的对象是单只蓄电池，所以对于实际中常用的多只蓄电池组成的蓄电池组来说，用上述测试方法可以较为精确地估算蓄电池组中的每只蓄电池是否容量不足。

以上公开的仅为本发明的较优具体实施例，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种在线估算蓄电池容量的方法，其特征在于，包含如下步骤：

1)分两次采用直流加载法检测蓄电池内电流，并计算蓄电池内阻；

2)采用在线测量法检测蓄电池电动势；

3)采用交流法分两次检测蓄电池正负极板间的等效电路阻抗；

4)根据步骤3)的检测结果计算蓄电池的极板间电容；

5)根据步骤1)至4)中所得到的蓄电池内阻、蓄电池电动势和蓄电池极板间电容的结果估算蓄电池容量。

2.根据权利要求1所述的在线估算蓄电池容量的方法，其特征在于，所述步骤1)中包括：

在浮充状态下向蓄电池的正负极上先后两次分别施加不同的直流电压，并测试施加各直流电压时对应的蓄电池电流，用该两次施加的直流电压之差除以测试得到的两个蓄电池电流之差，计算得到蓄电池的内阻值。

3.根据权利要求1所述的在线估算蓄电池容量的方法，其特征在于，所述步骤2)中包括：

检测蓄电池上的浮充电流，并向蓄电池的两极上施加一个与该浮充电流等值反向的电流，使蓄电池的内阻电流为零，测试此时的蓄电池电动势。

4.根据权利要求1所述的在线估算蓄电池容量的方法，其特征在于，所述步骤3)中的两次检测中所采用的交流电频率分别为5赫兹和15赫兹。

5.根据权利要求4所述的在线估算蓄电池容量的方法，其特征在于，所述步骤4)中极板间电容的计算方程式为

C＝(1/Z₁₅-1/Z₅)/62.8，其中：

C代表所述极板间电容，Z₁₅代表所述步骤3)中采用15赫兹交流电时测得的等效电路阻抗，Z₅代表所述步骤3)中采用5赫兹交流电时测得的等效电路阻抗。

6.根据权利要求4所述的在线估算蓄电池容量的方法，其特征在于，所述步骤4)中还包括根据步骤3)的检测结果计算蓄电池的极化电阻步骤，该步骤中极化电阻的计算方程式为

r_j＝2/(3/Z₅-1/Z₁₅)，其中：

r_j代表所述极化电阻，Z₁₅代表所述步骤3)中采用15赫兹交流电时测得的等效电路阻抗，Z₅代表所述步骤3)中采用5赫兹交流电时测得的等效电路阻抗。

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