基于內(nèi)阻法的UPS系統(tǒng)中的蓄電池電量估測(cè)設(shè)計(jì)

引言

近年來(lái)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(kāi)始使用環(huán)保、無(wú)污染的用品，尤其是在交通工具方面，如：電動(dòng)滑板車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、油電混合車(chē)、電動(dòng)機(jī)車(chē)等等，已是不可或缺的重要代步品，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，最重要的關(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(zhǎng)。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）成為真正能徹底解決電源問(wèn)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(wèn)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(lái)對(duì)于蓄電池的供電要求勢(shì)必將會(huì)提高。而在電動(dòng)機(jī)車(chē)方面，如何使充電效率提升，不會(huì)使蓄電池有過(guò)充、溫升過(guò)高的現(xiàn)象，并且能延長(zhǎng)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(lái)達(dá)到快速充電的效果，并且利用電腦來(lái)監(jiān)測(cè)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(cè)法采用方法為直流量測(cè)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(cè)示意圖

利用上述的方法可在蓄電池充電開(kāi)始與充電結(jié)束和放電開(kāi)始、放電結(jié)束時(shí)，量測(cè)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(guò)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(cè)，并利用Matlab中曲線擬合法來(lái)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(cè)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(cè)法的程式開(kāi)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(kāi)始進(jìn)行內(nèi)阻偵測(cè)，在確認(rèn)無(wú)誤后偵測(cè)電池是否開(kāi)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(cè)電路與電壓檢測(cè)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(lái)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(cè)的電量以LED表示，再以資料收集器記錄其估測(cè)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(cè)法的演算流程圖

充電法則與電量估測(cè)

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(cè)，照其規(guī)定的充電法是最安全且最有效率的充電方法，但所提供的方式花費(fèi)充電時(shí)間都過(guò)于冗長(zhǎng)。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(guò)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(cè)目的是在于偵測(cè)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(cè)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(guò)度充電與過(guò)度放電的情形。

文中使用的方法為內(nèi)阻偵測(cè)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(lái)自我修正參數(shù)。因此，內(nèi)阻量測(cè)法就是藉由量測(cè)電池在充放、電過(guò)程中內(nèi)阻的變化，來(lái)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[!--empirenews.page--]

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(cè)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(wú)干擾的平臺(tái)下將可量測(cè)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(lái)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(guò)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(lái)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(yǔ)言制作出一套即時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，透過(guò)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(cè)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(cè)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(wú)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(méi)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(cè)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(cè)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(cè)實(shí)驗(yàn)

本章節(jié)的電池電量的估測(cè)實(shí)驗(yàn)，第一階段采用前章節(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下所能放的電池最大電量100%，再利用內(nèi)阻估測(cè)法分別對(duì)75%、50%、25%做電池容量估測(cè)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(cè)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(cè)值為2.14%。

圖13 電池電壓、電流與電量估測(cè)(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(cè)曲線變化圖，總放電時(shí)間為937秒，電量估測(cè)值為3.4%。

圖14 電池電壓、電流與電量估測(cè)(電池初始容量50%)[!--empirenews.page--]

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(cè)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(cè)值為1.92%。

圖15 電池電壓、電流與電量估測(cè)(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(cè)變化。在實(shí)驗(yàn)開(kāi)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(kāi)始以DC Load來(lái)進(jìn)行放電負(fù)載。放電過(guò)程中記錄下電池的電壓、放電電流以及電量估測(cè)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(cè)法來(lái)估測(cè)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(cè)試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測(cè)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(cè)值為1.25%。圖17為電池于重載放電測(cè)試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測(cè)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(cè)值為-2.38%，其中估測(cè)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(zhǎng)。

圖18為電池于輕載切換重載放電測(cè)試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測(cè)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(cè)值為-2.1%。圖19為電池于重載切換輕載放電測(cè)試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測(cè)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(cè)值為-2.3%。

圖20為電池于混合負(fù)載放電測(cè)試下的電池端電壓曲線、放電電流與電量估測(cè)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，最后用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(cè)值為-2.6%。

圖19 電池電壓、電流與電量估測(cè)(混合負(fù)載)

實(shí)驗(yàn)4 LabVIEW圖形化介面與功能

圖21為L(zhǎng)abVIEW監(jiān)控系統(tǒng)的前置面板，具有即時(shí)數(shù)位值顯示、過(guò)保護(hù)警示燈與資料擷取儲(chǔ)存與殘量偵測(cè)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(cè)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(huà)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(cè)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(wèn)題如圖23，表示現(xiàn)在發(fā)生的問(wèn)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(kāi)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(huà)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(shuō)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(kāi)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。最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(huà)面

結(jié)語(yǔ)

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(cè)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(guò)充的情形而損壞。

內(nèi)阻估測(cè)法特點(diǎn)為：1.本系統(tǒng)只需有電壓與電流的變化即能測(cè)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(wèn)題；2.文中說(shuō)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(lái)偵測(cè)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(cè)法要求的精準(zhǔn)度問(wèn)題略微偏高，要在無(wú)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)上需有極高的技術(shù)要求，若把其他種類的殘量偵測(cè)法結(jié)合內(nèi)阻偵測(cè)法相信可得一較為準(zhǔn)確的殘量偵測(cè)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(cè)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。