以內(nèi)阻法于UPS系統(tǒng)中的蓄電池電量估測設(shè)計

摘要：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算出電池內(nèi)阻，進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)保意識抬頭，人類了解到環(huán)保的重要性，進而開始使用環(huán)保、無污染的用品，尤其是在交通工具方面，如：電動滑板車、電動自行車、油電混合車、電動機車等等，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，如：價格昂貴、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，各種精密儀器對電力品質(zhì)的嚴格要求而言，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)備正常運轉(zhuǎn)的電力品質(zhì)問題時，UPS均會自動穩(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，未來對于蓄電池的供電要求勢必將會提高。而在電動機車方面，如何使充電效率提升，不會使蓄電池有過充、溫升過高的現(xiàn)象，并且能延長蓄電池使用壽命，為設(shè)計充電器的重點之一。而在不斷電系統(tǒng)之中，當市電斷電時使用者必須了解UPS中還有多少電量可供使用，所以如何快速準確的得知電池剩余容量，則是在殘余容量顯示方面相當重要的一項環(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降壓對電池端充電。本文利用DSP（TMS320LF2407A）與LabVIEWDAQ(DAQPad-6016)為控制核心，達成轉(zhuǎn)換器與控制法則的實現(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，此時電池端電壓將會有突降的變化。當電池放電結(jié)束時，端電壓將會有突升的情形，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，量測電池內(nèi)阻值的變化情形。

利用上述的實驗方法可得圖3為電池放電與內(nèi)阻關(guān)系圖，由圖可觀察得知當充電容量越飽時電池的內(nèi)阻會呈現(xiàn)越小的狀況，而當電池容量越少時，電池的內(nèi)阻將會越大。

圖3 蓄電池內(nèi)阻—容量曲線

利用上述內(nèi)阻的性質(zhì)，可對應(yīng)出當內(nèi)阻有所不同時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)阻與放電時間對應(yīng)曲線。

再利用Matlab軟體的曲線擬合功能，將圖3的各點數(shù)值代入，可求解得方程式（1）。圖中的圓圈表示電池實際的放電時間，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。當電量估測法的程式開始執(zhí)行時，先取得電池的端電壓是否大于10.5V，進而決定是否要開始進行內(nèi)阻偵測，在確認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而再重新計算出電池殘余電量。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)進行進行放電，而且程式也繼續(xù)計算電池的殘余電量，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)定的充電法是最安全且最有效率的充電方法，但所提供的方式花費充電時間都過于冗長。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電池充電。多階段脈沖充電法是利用不同的定電流對電池進行充電，如圖6所示。當電池充電到所設(shè)定的電壓之后，隨即降低電流大小再持續(xù)對電池進行充電，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影響電池內(nèi)阻值的變化，當在充電時內(nèi)阻將會隨電量而降低，但在放電狀態(tài)時，內(nèi)阻將會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)電阻的變化相當微小，通常為毫歐姆，所以量測內(nèi)阻的儀器與設(shè)備，其準確度及精密度都要相當高，且需要無干擾的平臺下將可量測出較精準的數(shù)據(jù)。

圖形化介面設(shè)計

LabVIEW通常被用來進行資料采集、儀器控制和工業(yè)自動化，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，取得類比訊號之后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)位訊號，讓一般電腦能夠判讀所擷取的數(shù)位訊號。同樣的，也可以藉由介面的訊號轉(zhuǎn)換功能，把電腦的指令由數(shù)位訊號轉(zhuǎn)為類比訊號，來驅(qū)動被控制的物件，以達到訊號擷取與自動控制的目的[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個類比輸入、32個數(shù)位I/O、2個類比輸出、2個計數(shù)器/計時器等多功能的DAQ（Data Acquisition）資料擷取卡，其可接受的類比訊號的范圍為10V~-10V。

實驗結(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監(jiān)控系統(tǒng)，透過電腦熒幕，使用者可以即時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驗。

實驗1 多階段充電器方面

圖9為整個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，而當電壓達到14V時，充電器控制進入多階段充電模式，并改以改變電池端充電電流對電池充電，如圖9的后段曲線所示，整體充電時間為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

實驗2 電池內(nèi)阻估測實驗

圖10為電池內(nèi)阻對應(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，由圖中得知當放電電流屬于大電流放電時所測得的電池內(nèi)阻相對的越小，當放電電流屬于小電流放電時，電池內(nèi)阻將會相對應(yīng)的增大。由上述可知當電池容量有所變化時電池內(nèi)阻的變化量將會有較大幅度的變動，但放電電流的變化量則是呈現(xiàn)小幅度的改變。利用上述的電阻對應(yīng)容量的特性，可帶入電量估測方程式中當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

實驗3 電池電量估測實驗

本章節(jié)的電池電量的估測實驗，第一階段采用前章節(jié)所述的充電器的架構(gòu)對電池充電，直到所設(shè)定的充滿情況充電電流將會降為零，代表電池已充滿，再利用1C對電池放電如圖12所示，放電時間為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)阻估測法分別對75%、50%、25%做電池容量估測實驗。

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，負載固定以1C對電池進行放電，當電池的端電壓達10.5V時，則判斷放電結(jié)束，總放電時間為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。在實驗開始前為確保電池已充滿電量，先對電池用0.1C放電至10.5V，再使用前述的多階段充電器對電池充電，直到電池電壓達到設(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)的電解液濃度擴散均勻，再開始以DC Load來進行放電負載。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。在實驗中將以五種不同負載對電池進行放電，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，負載以3A的固定電流對電池進行放電，總放電時間為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，負載以9A的固定電流對電池進行放電，總放電時間為1,512秒，放電結(jié)束后的電量估測值為-2.38%，其中估測值為負的意思為其預(yù)估時間比實際放電時間長。

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，負載先以3A的固定電流對電池進行放電之后再用9A對電池進行放電，總放電時間為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，負載先以9A的固定電流對電池進行放電之后再用3A對電池進行放電，總放電時間為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，負載先以10A的固定電流對電池進行放電，之后再用4A對電池進行放電，最后用9A對電池進行放電，總放電時間為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(混合負載)

實驗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，具有即時數(shù)位值顯示、過保護警示燈與資料擷取儲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。在畫面下方顯示即時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)-實際量測圖

若是當電池端電壓發(fā)生異常如端電壓小于10.5V會產(chǎn)生一警示信號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)，同時產(chǎn)生一組數(shù)位I/O訊號給控制器，控制器接收到這組訊號后，便會命令轉(zhuǎn)換器的所有開關(guān)截止，以保護鉛酸電池。殘余電量顯示方面，當電池電壓有所變化時，畫面右方的殘余容量顯示器則會相對應(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

在資料儲存方面，資料可以儲存為Excel、Txt或Word等類型的檔案，程式開始時在內(nèi)部將會產(chǎn)生一文件檔將資料儲存，而本文儲存檔案的類型為Excel檔，儲存格式如圖24所示。最后使用者欲停止程式時，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：1.充電初期以較大的電流對電池充電，以縮短電池的充電時間；2.充電后期改以多階段定電流對電池充電，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)阻值會有一較佳的表現(xiàn)，為此方法的優(yōu)點；3.內(nèi)阻估測法要求的精準度問題略微偏高，要在無干擾環(huán)境之下才能有較佳的表現(xiàn)，且在產(chǎn)品實現(xiàn)上需有極高的技術(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確的殘量偵測系統(tǒng)。

在圖形化介面方面有下列特點：1.可隨時監(jiān)控電池端的電壓與電流，同時可計算其內(nèi)阻值的變化，與即時顯示電池殘余容量，并記錄成Excel檔案可供使用者隨時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，當電池發(fā)生異常時，系統(tǒng)將會偵測錯誤以顯示錯誤情況；并送信號給數(shù)位信號處理器令其停止充電或放電，同時告知用戶端發(fā)生異常的狀況。