以內(nèi)阻法于UPS系統(tǒng)中的蓄電池電量估測(cè)設(shè)計(jì) (1)2011-04-28 01:02:53來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
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(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)藉由量測(cè)電池在充放電過(guò)程中的內(nèi)阻變化來(lái)預(yù)估電池的殘余電量，此法不但可以快速偵測(cè)電池的殘余電量，并可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(yùn)算出電池內(nèi)阻，進(jìn)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)。
本偵測(cè)系統(tǒng)也搭配LabVIEW圖控式程式語(yǔ)言完成一套鉛酸電池的能量管理監(jiān)控系統(tǒng)，不但可即時(shí)監(jiān)控電池的電壓與電流，并具有資料儲(chǔ)存功能，讓使用者透過(guò)電腦熒幕即可隨時(shí)掌握不斷電系統(tǒng)中的蓄電池使用狀態(tài)。
關(guān)鍵字：不斷電系統(tǒng)、內(nèi)阻偵測(cè)法、監(jiān)控系統(tǒng)
前言
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、電動(dòng)自行車、油電混合車、電動(dòng)機(jī)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(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]。
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(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。
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。

[1][2]