檢測儀器蓄電池測試裝置的研制與應用

摘要：在對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數的測試工作過程中，常常會碰到電池無電、電量不足，造成無法測試及所測數據不正確。特別是在測試工作出發前，對測試儀器儀表進行檢查時，電量顯示是滿的，到了施工現場使用時，電池電量瞬間降低，發現電池顯示的電量是虛擬的。但目前無法在測試工作前，對測試儀器電池的好壞進行測試，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際電量進行測試，而且能根據一些測試數據來判斷電池是否正常。

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、經濟地運行，需要對電氣設備進行絕緣電阻、電壓、電流等參數測試，來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，測試工作過程中常常會碰到電池無電、電量不足。特別是在測試工作出發前，對測試儀器儀表進行檢查時，電量顯示是滿的，到了施工現場使用時，電池電量瞬間降低，發現電池顯示的電量是虛擬的，造成無法測試及所測數據不正確。但目前無法在測試工作前，對測試儀器電池的好壞進行對測試^[1]。

　　首先在現場工作中，一旦發現檢測儀器沒電或電量不足，我們必須回班組更換測試儀器或現場電池充電。我們大家都知道，工作現場一般都在變電所或發電生產車間，來回都需要大量的時間，若對電池現場充電更會浪費我們的工作時間，這危及到設備的正常投運時間，無法確保按時送電，為廣大的用電用戶提供優質可靠的電能。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。由于測量儀器內部電池的自放電效應，如果長期不進行充放電維護，就會導致電池蓄電能力下降，甚至無法再充電和使用，影響正常的生產。電力生產，安全第一，需要特別注意對這些危險點進行控制。

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

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路板及相關外設的供電電壓;

　　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-時間特性曲線;

　　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點陣分辨率LED背光屏;

　　7、內置實時時鐘、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、可編程波形發生器)組成。

2.1 檢測儀器電池的特點

　　檢測儀器電池為一般蓄電池，蓄電池的內阻是指電流流過蓄電池內部時所受的阻力，鉛酸蓄電池的內阻很小，需要用專門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內阻，即蓄電池充滿電時的內阻。與之對應的是放電態內阻，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發熱很厲害，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物質活性的降低，蓄電池的內阻會有不同程度的增大，質量越差的蓄電池增大的越快。蓄電池內部阻抗會因放電量增加而增大，尤其是在放電終止時阻抗最大，主要因為放電的進行使得極板內產生不良導體硫酸鉛以及電解液比重下降，故放電后務必馬上充電。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，極板的活性物質亦無法恢復原狀，從而將縮短蓄電池的使用壽命^[2]。

2.2 測量技術指標：

　　根據我單位目前使用的測量儀器電源所用的電池，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個字)。

2.3 電池內阻的測量：

　　測量電池內阻一般采用四線交流法，因為電池實際上等效于一個有源電阻。交流法通過對電池注入一個低頻交流電流信號，測出電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以及兩者的相位差，從而計算出電池內阻。首先產生一個1kHz的恒定交流激勵信號，交流法通過對電池注入一個交流信號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，同時要對輸入信號進行濾波和信號處理，并使用專用鑒相芯片對電壓和電流的相位差進行計算，才能達到設計的技術指標和預期的使用效果。

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

　　可以通過3個串行接口將數據寫入AD9833，這3個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產生1kHz的標準正弦波信號源，芯片通過AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA與控制器相連，芯片的第5腳輸入時鐘源，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級的電池內阻進行測量。而普通運放的輸出電流都不超過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僅用一個外接電阻來限定電流，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帶寬對數檢波器、一個相位檢波器、輸出放大器組、一個偏置單元和一個輸出參考電壓緩沖器等部分組成，能同時測量從低頻到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，芯片的測量模式將工作在默認的斜率和中心點上(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，中心點為900mV)。另外測量模式下，工作斜率和中心點可以通過引腳MSET和PSET的分壓加以修改。在中心點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，經過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。使用專用的幅相檢測芯片，可以避免分立電路產生的器件不一致以及失調等問題。其輸出信號只需用普通A/D進行采樣，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系：

　　測量電池的負載電壓，再根據如圖6曲線，可以計算出電池的剩余容量。

3 裝置實物圖

　　根據上述設計思路，研制出檢測儀器電池電量測試儀。實物如圖7所示。

　　整機內部包含輔助開關電源、主線路板、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，其中兩根是測試線，兩根信號線。開機，設置相關參數，進入測試，按確定鍵，裝置自動將電池的幾個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際生產應用過程中，使用方便、安全可靠、效果顯著，本項目獲2014年全國優秀質量管理小組，目前已申請國家知識產權發明專利與實用新型專利各一項。并在2014年，列為國網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程中，常常碰到的檢測儀器電池無電、電量不足、虛擬電量等因素，造成儀器無法測試及所測數據不正確等問題，給日常工作造成很大的不便;產生安全隱患及所測數據正確率低，產生對被測電氣設備的狀態誤判斷，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，能及時發現檢測儀器電池不足、電池損壞等狀態。工作人員及時針對性處理。以此來清除安全隱患，保障現場作業測試儀器的正常運行的裝置。

參考文獻：

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第3期第60頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。