檢測儀器蓄電池測試裝置的研制與應用

摘要：在對電氣設備進(jìn)行絕緣電阻、電壓、電流等參數的測試工作過(guò)程中，常常會(huì )碰到電池無(wú)電、電量不足，造成無(wú)法測試及所測數據不正確。特別是在測試工作出發(fā)前，對測試儀器儀表進(jìn)行檢查時(shí)，電量顯示是滿(mǎn)的，到了施工現場(chǎng)使用時(shí)，電池電量瞬間降低，發(fā)現電池顯示的電量是虛擬的。但目前無(wú)法在測試工作前，對測試儀器電池的好壞進(jìn)行測試，工作造成很大的麻煩。因此，本文研制對檢測儀器電池電量測試的裝置，不僅能對測試儀器的電池的實(shí)際電量進(jìn)行測試，而且能根據一些測試數據來(lái)判斷電池是否正常。

引言

　　電力系統在設備的安裝、檢修、預試等日常的工作中，為了確保電力設備能正常、安全、經(jīng)濟地運行，需要對電氣設備進(jìn)行絕緣電阻、電壓、電流等參數測試，來(lái)判斷被測的設備是否正常、是否存在缺陷。

　　目前所用的檢測儀器大部分需要有電池電源供電才能工作，測試工作過(guò)程中常常會(huì )碰到電池無(wú)電、電量不足。特別是在測試工作出發(fā)前，對測試儀器儀表進(jìn)行檢查時(shí)，電量顯示是滿(mǎn)的，到了施工現場(chǎng)使用時(shí)，電池電量瞬間降低，發(fā)現電池顯示的電量是虛擬的，造成無(wú)法測試及所測數據不正確。但目前無(wú)法在測試工作前，對測試儀器電池的好壞進(jìn)行對測試^[1]。

　　首先在現場(chǎng)工作中，一旦發(fā)現檢測儀器沒(méi)電或電量不足，我們必須回班組更換測試儀器或現場(chǎng)電池充電。我們大家都知道，工作現場(chǎng)一般都在變電所或發(fā)電生產(chǎn)車(chē)間，來(lái)回都需要大量的時(shí)間，若對電池現場(chǎng)充電更會(huì )浪費我們的工作時(shí)間，這危及到設備的正常投運時(shí)間，無(wú)法確保按時(shí)送電，為廣大的用電用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)可靠的電能。對工作造成很大的麻煩。

　　其次，電池的日常維護的好壞直接影響到電池的壽命。由于測量?jì)x器內部電池的自放電效應，如果長(cháng)期不進(jìn)行充放電維護，就會(huì )導致電池蓄電能力下降，甚至無(wú)法再充電和使用，影響正常的生產(chǎn)。電力生產(chǎn)，安全第一，需要特別注意對這些危險點(diǎn)進(jìn)行控制。

　　基于以上的問(wèn)題，設想研制一套小型的電池檢測裝置，能對儀器內部電池進(jìn)行監測，并給出評價(jià)結果，提醒試驗人員及時(shí)充電或更換電池。能及時(shí)提醒試驗人員對電池進(jìn)行維護和充電。

1 裝置整體概述

　　檢測儀器蓄電池測試裝置整體框圖如圖1所示，裝置由CPU模塊、內阻測量模塊、液晶顯示屏等六部分組成，如圖1所示。

　　檢測儀器蓄電池測試裝置的內部電路框圖，如圖2所示。其采用：

　　1、主控制器為STM32，負責處理電池電壓測量、電池電流測量、按鍵輸入、輸出控制和輸出指示。

　　2、輔助電源提供內部線(xiàn)路板及相關(guān)外設的供電電壓;

　　3、交流恒流源用于電池內阻的測量;

　　4、恒流放電電路用于測試電池的放電電壓-時(shí)間特性曲線(xiàn);

　　5、電池電壓和電流測量電路將模擬信號調理并轉換成數字信號傳送給控制器;

　　6、顯示屏選用128*64點(diǎn)陣分辨率LED背光屏;

　　7、內置實(shí)時(shí)時(shí)鐘、按鍵、指示燈和蜂鳴器等常用外設。

　　2 詳細電路設計

　　檢測儀器蓄電池測試裝置其主要由電池內阻的測量、交流恒流源和AD9833(一款低功耗、可編程波形發(fā)生器)組成。

2.1 檢測儀器電池的特點(diǎn)

　　檢測儀器電池為一般蓄電池，蓄電池的內阻是指電流流過(guò)蓄電池內部時(shí)所受的阻力，鉛酸蓄電池的內阻很小，需要用專(zhuān)門(mén)的儀器才可以測得比較準確的結果。一般所指的蓄電池內阻是充電態(tài)內阻，即蓄電池充滿(mǎn)電時(shí)的內阻。與之對應的是放電態(tài)內阻，并且不太穩定。蓄電池的內阻越大，蓄電池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。內阻很大的蓄電池在充電時(shí)發(fā)熱很厲害，使蓄電池的溫度急劇上升，對蓄電池和充電器的影響都很大。隨著(zhù)蓄電池使用次數的增多，由于電解液的消耗及蓄電池內部化學(xué)物質(zhì)活性的降低，蓄電池的內阻會(huì )有不同程度的增大，質(zhì)量越差的蓄電池增大的越快。蓄電池內部阻抗會(huì )因放電量增加而增大，尤其是在放電終止時(shí)阻抗最大，主要因為放電的進(jìn)行使得極板內產(chǎn)生不良導體硫酸鉛以及電解液比重下降，故放電后務(wù)必馬上充電。若任其持續放電，硫酸鉛形成安定的白色結晶(即硫化現象)后，即使充電，極板的活性物質(zhì)亦無(wú)法恢復原狀，從而將縮短蓄電池的使用壽命^[2]。

2.2 測量技術(shù)指標：

　　根據我單位目前使用的測量?jì)x器電源所用的電池，我們設置檢測儀器蓄電池測試裝置以下技術(shù)參數和精度：

　　1、檢測儀器蓄電池測試裝置測試電池電壓：范圍(0-20V)、分辨率(0.01V)、精度(±0.2%+2個(gè)字);

　　2、檢測儀器蓄電池測試裝置測試電池內阻：范圍(0-1Ω)、分辨率(1MΩ)、精度(±2%+2個(gè)字)。

2.3 電池內阻的測量：

　　測量電池內阻一般采用四線(xiàn)交流法，因為電池實(shí)際上等效于一個(gè)有源電阻。交流法通過(guò)對電池注入一個(gè)低頻交流電流信號，測出電池兩端的低頻電壓和流過(guò)的低頻電流以及兩者的相位差，從而計算出電池內阻。首先產(chǎn)生一個(gè)1kHz的恒定交流激勵信號，交流法通過(guò)對電池注入一個(gè)交流信號Is，測量出電池兩端的電壓響應信號Vo，以及兩者的相位差θ，Z=Vo/Is,R=Zcosθ，即可計算出電池的阻抗，進(jìn)而反映出蓄電池的性能。

　　由于正常情況下的電池內阻是MΩ級的，電路采樣到的電壓和電流信號的相位差也很小，對交流恒流源的要求非常高，紋波稍大或者信號輸入回路有干擾，就會(huì )造成電池內阻的測量誤差。因此，設計穩定標準的正弦交流恒流源尤為重要，同時(shí)要對輸入信號進(jìn)行濾波和信號處理，并使用專(zhuān)用鑒相芯片對電壓和電流的相位差進(jìn)行計算，才能達到設計的技術(shù)指標和預期的使用效果。

　　AD9833是ADI公司生產(chǎn)的一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。波形發(fā)生器廣泛應用于各種測量、激勵和時(shí)域響應領(lǐng)域。 AD9833無(wú)需外接元件，輸出頻率和相位都可通過(guò)軟件編程，易于調節。頻率寄存器是28位的，主頻時(shí)鐘為25 MHz時(shí)，精度為0.1 Hz;主頻時(shí)鐘為1 MHz時(shí)，精度可以達到0.004 Hz。

　　可以通過(guò)3個(gè)串行接口將數據寫(xiě)入AD9833，這3個(gè)串口的最高工作頻率可以達到40MHz，易于與DSP和各種主流微控制器兼容。AD9833的工作電壓范圍為2.3 V~5.5 V。AD9833還具有休眠功能，可使沒(méi)被使用的部分休眠，減少該部分的電流損耗。例如，若利用AD9833輸出作為時(shí)鐘源，就可以讓DAC休眠，以減小功耗。該電路采用10引腳MSOP型表面貼片封裝，體積很小。如圖3所示，設計中采用AD9833產(chǎn)生1kHz的標準正弦波信號源，芯片通過(guò)AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA與控制器相連，芯片的第5腳輸入時(shí)鐘源，第10腳輸出有直流偏量的交流正弦波信號^[3]。

2.4 交流恒流源：

　　測量所需的交流恒流源至少要輸出50mA的電流，才能對MΩ級的電池內阻進(jìn)行測量。而普通運放的輸出電流都不超過(guò)10mA，因此設計選用了BB公司(編者注：已被TI公司收購)的OPA541大功率運放，該運放可以在±10～±40V電壓下工作，可連續輸出高達5A的電流，具有編程限流的功能，內部電流限定電路能使用戶(hù)僅用一個(gè)外接電阻來(lái)限定電流，保護運放和免受損壞。如圖4所示，電阻R5組成了限流電路，電阻R8為電流取樣電阻，取樣電阻兩端的電壓輸入運放的負端，形成負反饋電路，保持輸出電流的恒定，如圖4所示。

　　AD8302是ADI公司用于RF/IF幅度和相位測量的單片集成電路，主要由精密匹配的兩個(gè)帶寬對數檢波器、一個(gè)相位檢波器、輸出放大器組、一個(gè)偏置單元和一個(gè)輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時(shí)測量從低頻到2.7GHz頻率范圍內的兩輸入信號之間的幅度比和相位差，可應用于RF/IF功率放大器線(xiàn)性比的測量、RF功率的精確控制、駐波比測量及遠程系統的監視和診斷等。當芯片輸出引腳VMAG和VPHS直接跟芯片反饋設置輸入引腳MSET和PSET相連時(shí)，芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點(diǎn)上(精確幅度測量比例系數為30mV/dB，精確相位測量比例系數為10mV/度，中心點(diǎn)為900mV)。另外測量模式下，工作斜率和中心點(diǎn)可以通過(guò)引腳MSET和PSET的分壓加以修改。在中心點(diǎn)900mV處其增益是0dB，-30dB-+30dB的增益范圍對應于0-1.8V的輸出電壓范圍;在中心點(diǎn)900mV處其相位為90度，0-180度的相位范圍對應于1.8-0V的輸出電壓范圍。如圖5所示，輸入的電壓BV和電流BI信號，經(jīng)過(guò)AD8302所構成的幅相檢測電路之后，輸出的BBV就反映了BV與BI的增益比，輸出的BBI則反映了BV與BI的相位差。使用專(zhuān)用的幅相檢測芯片，可以避免分立電路產(chǎn)生的器件不一致以及失調等問(wèn)題。其輸出信號只需用普通A/D進(jìn)行采樣，即可按公式計算出電池內阻^[4]。

2.5 電池電量與電壓的對應關(guān)系：

　　測量電池的負載電壓，再根據如圖6曲線(xiàn)，可以計算出電池的剩余容量。

3 裝置實(shí)物圖

　　根據上述設計思路，研制出檢測儀器電池電量測試儀。實(shí)物如圖7所示。

　　整機內部包含輔助開(kāi)關(guān)電源、主線(xiàn)路板、按鍵板、測試端子、液晶屏等,如圖9、圖10所示。

4 檢測儀器蓄電池測試裝置圖的應用

　　檢測儀器蓄電池測試裝置，對兆歐表電量的測試如圖11所示。

　　首先，兆歐表與檢測儀器電池電量檢測裝置相連，四根連線(xiàn)，其中兩根是測試線(xiàn)，兩根信號線(xiàn)。開(kāi)機，設置相關(guān)參數，進(jìn)入測試，按確定鍵，裝置自動(dòng)將電池的幾個(gè)參數順序測試完成后，給出電池的運行狀況^[5]。

　　檢測儀器電池檢測儀界面顯示：圖12所示。

5 推廣應用

　　鑒于本文研制的檢測儀器—電池電量的測試裝置，在國網(wǎng)嘉興供電公司、恒興電力建設有限公司、嘉興市恒欣電建有限公司實(shí)際生產(chǎn)應用過(guò)程中，使用方便、安全可靠、效果顯著(zhù)，本項目獲2014年全國優(yōu)秀質(zhì)量管理小組，目前已申請國家知識產(chǎn)權發(fā)明專(zhuān)利與實(shí)用新型專(zhuān)利各一項。并在2014年，列為國網(wǎng)浙江省電力公司群眾性科技性項目，在浙江省電力系統全面推廣應用。

6 總結

　　針對檢測儀器在測試工作過(guò)程中，常常碰到的檢測儀器電池無(wú)電、電量不足、虛擬電量等因素，造成儀器無(wú)法測試及所測數據不正確等問(wèn)題，給日常工作造成很大的不便;產(chǎn)生安全隱患及所測數據正確率低，產(chǎn)生對被測電氣設備的狀態(tài)誤判斷，本文研制的檢測儀器電池電量測試的裝置，電力系統在日常的安裝、檢修、預試檢測工作前，能及時(shí)發(fā)現檢測儀器電池不足、電池損壞等狀態(tài)。工作人員及時(shí)針對性處理。以此來(lái)清除安全隱患，保障現場(chǎng)作業(yè)測試儀器的正常運行的裝置。

參考文獻：

　　[1] 何嘉斌,恭蘭芳,何方.快速數據采集模塊的研制.武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2004,28(3): 471～475

　　[2] 馬青玉.高壓蓄電池組的計算機檢測設計 [ J]. 電子工程師,2002,28(1):25-26

　　[3] 何立民.MCS-51系列單片機應用系統設計系統配置與接口技術(shù).北京:北京航空航天大學(xué)出版社, 2001 247～365

　　[4] 李維,郭強,周云仙.液晶顯示應用手冊.北京:電子工業(yè)出版社,2002.374～414

　　[5] 劉永智,楊開(kāi)愚.液晶顯示技術(shù).四川:電子科技大學(xué)出版社,2003.134～254

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第3期第60頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。