检测仪器蓄电池测试装置的研制与应用

摘要：在对电气设备进行绝缘电阻、电压、电流等参数的测试工作过程中，常常会碰到电池无电、电量不足，造成无法测试及所测数据不正确。特别是在测试工作出发前，对测试仪器仪表进行检查时，电量显示是满的，到了施工现场使用时，电池电量瞬间降低，发现电池显示的电量是虚拟的。但目前无法在测试工作前，对测试仪器电池的好坏进行测试，工作造成很大的麻烦。因此，本文研制对检测仪器电池电量测试的装置，不仅能对测试仪器的电池的实际电量进行测试，而且能根据一些测试数据来判断电池是否正常。

引言

　　电力系统在设备的安装、检修、预试等日常的工作中，为了确保电力设备能正常、安全、经济地运行，需要对电气设备进行绝缘电阻、电压、电流等参数测试，来判断被测的设备是否正常、是否存在缺陷。

　　目前所用的检测仪器大部分需要有电池电源供电才能工作，测试工作过程中常常会碰到电池无电、电量不足。特别是在测试工作出发前，对测试仪器仪表进行检查时，电量显示是满的，到了施工现场使用时，电池电量瞬间降低，发现电池显示的电量是虚拟的，造成无法测试及所测数据不正确。但目前无法在测试工作前，对测试仪器电池的好坏进行对测试^[1]。

　　首先在现场工作中，一旦发现检测仪器没电或电量不足，我们必须回班组更换测试仪器或现场电池充电。我们大家都知道，工作现场一般都在变电所或发电生产车间，来回都需要大量的时间，若对电池现场充电更会浪费我们的工作时间，这危及到设备的正常投运时间，无法确保按时送电，为广大的用电用户提供优质可靠的电能。对工作造成很大的麻烦。

　　其次，电池的日常维护的好坏直接影响到电池的寿命。由于测量仪器内部电池的自放电效应，如果长期不进行充放电维护，就会导致电池蓄电能力下降，甚至无法再充电和使用，影响正常的生产。电力生产，安全第一，需要特别注意对这些危险点进行控制。

　　基于以上的问题，设想研制一套小型的电池检测装置，能对仪器内部电池进行监测，并给出评价结果，提醒试验人员及时充电或更换电池。能及时提醒试验人员对电池进行维护和充电。

1 装置整体概述

　　检测仪器蓄电池测试装置整体框图如图1所示，装置由CPU模块、内阻测量模块、液晶显示屏等六部分组成，如图1所示。

　　检测仪器蓄电池测试装置的内部电路框图，如图2所示。其采用：

　　1、主控制器为STM32，负责处理电池电压测量、电池电流测量、按键输入、输出控制和输出指示。

　　2、辅助电源提供内部线路板及相关外设的供电电压;

　　3、交流恒流源用于电池内阻的测量;

　　4、恒流放电电路用于测试电池的放电电压-时间特性曲线;

　　5、电池电压和电流测量电路将模拟信号调理并转换成数字信号传送给控制器;

　　6、显示屏选用128*64点阵分辨率LED背光屏;

　　7、内置实时时钟、按键、指示灯和蜂鸣器等常用外设。

　　2 详细电路设计

　　检测仪器蓄电池测试装置其主要由电池内阻的测量、交流恒流源和AD9833(一款低功耗、可编程波形发生器)组成。

2.1 检测仪器电池的特点

　　检测仪器电池为一般蓄电池，蓄电池的内阻是指电流流过蓄电池内部时所受的阻力，铅酸蓄电池的内阻很小，需要用专门的仪器才可以测得比较准确的结果。一般所指的蓄电池内阻是充电态内阻，即蓄电池充满电时的内阻。与之对应的是放电态内阻，并且不太稳定。蓄电池的内阻越大，蓄电池自身消耗掉的能量越多，其使用效率越低。内阻很大的蓄电池在充电时发热很厉害，使蓄电池的温度急剧上升，对蓄电池和充电器的影响都很大。随着蓄电池使用次数的增多，由于电解液的消耗及蓄电池内部化学物质活性的降低，蓄电池的内阻会有不同程度的增大，质量越差的蓄电池增大的越快。蓄电池内部阻抗会因放电量增加而增大，尤其是在放电终止时阻抗最大，主要因为放电的进行使得极板内产生不良导体硫酸铅以及电解液比重下降，故放电后务必马上充电。若任其持续放电，硫酸铅形成安定的白色结晶(即硫化现象)后，即使充电，极板的活性物质亦无法恢复原状，从而将缩短蓄电池的使用寿命^[2]。

2.2 测量技术指标：

　　根据我单位目前使用的测量仪器电源所用的电池，我们设置检测仪器蓄电池测试装置以下技术参数和精度：

　　1、检测仪器蓄电池测试装置测试电池电压：范围(0-20V)、分辨率(0.01V)、精度(±0.2%+2个字);

　　2、检测仪器蓄电池测试装置测试电池内阻：范围(0-1Ω)、分辨率(1MΩ)、精度(±2%+2个字)。

2.3 电池内阻的测量：

　　测量电池内阻一般采用四线交流法，因为电池实际上等效于一个有源电阻。交流法通过对电池注入一个低频交流电流信号，测出电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出电池内阻。首先产生一个1kHz的恒定交流激励信号，交流法通过对电池注入一个交流信号Is，测量出电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差θ，Z=Vo/Is,R=Zcosθ，即可计算出电池的阻抗，进而反映出蓄电池的性能。

　　由于正常情况下的电池内阻是MΩ级的，电路采样到的电压和电流信号的相位差也很小，对交流恒流源的要求非常高，纹波稍大或者信号输入回路有干扰，就会造成电池内阻的测量误差。因此，设计稳定标准的正弦交流恒流源尤为重要，同时要对输入信号进行滤波和信号处理，并使用专用鉴相芯片对电压和电流的相位差进行计算，才能达到设计的技术指标和预期的使用效果。

　　AD9833是ADI公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波和方波输出。波形发生器广泛应用于各种测量、激励和时域响应领域。 AD9833无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节。频率寄存器是28位的，主频时钟为25 MHz时，精度为0.1 Hz;主频时钟为1 MHz时，精度可以达到0.004 Hz。

　　可以通过3个串行接口将数据写入AD9833，这3个串口的最高工作频率可以达到40MHz，易于与DSP和各种主流微控制器兼容。AD9833的工作电压范围为2.3 V~5.5 V。AD9833还具有休眠功能，可使没被使用的部分休眠，减少该部分的电流损耗。例如，若利用AD9833输出作为时钟源，就可以让DAC休眠，以减小功耗。该电路采用10引脚MSOP型表面贴片封装，体积很小。如图3所示，设计中采用AD9833产生1kHz的标准正弦波信号源，芯片通过AD9833-FSYNC、AD9833-SCLK和AD9833-SDATA与控制器相连，芯片的第5脚输入时钟源，第10脚输出有直流偏量的交流正弦波信号^[3]。

2.4 交流恒流源：

　　测量所需的交流恒流源至少要输出50mA的电流，才能对MΩ级的电池内阻进行测量。而普通运放的输出电流都不超过10mA，因此设计选用了BB公司(编者注：已被TI公司收购)的OPA541大功率运放，该运放可以在±10～±40V电压下工作，可连续输出高达5A的电流，具有编程限流的功能，内部电流限定电路能使用户仅用一个外接电阻来限定电流，保护运放和免受损坏。如图4所示，电阻R5组成了限流电路，电阻R8为电流取样电阻，取样电阻两端的电压输入运放的负端，形成负反馈电路，保持输出电流的恒定，如图4所示。

　　AD8302是ADI公司用于RF/IF幅度和相位测量的单片集成电路，主要由精密匹配的两个带宽对数检波器、一个相位检波器、输出放大器组、一个偏置单元和一个输出参考电压缓冲器等部分组成，能同时测量从低频到2.7GHz频率范围内的两输入信号之间的幅度比和相位差，可应用于RF/IF功率放大器线性比的测量、RF功率的精确控制、驻波比测量及远程系统的监视和诊断等。当芯片输出引脚VMAG和VPHS直接跟芯片反馈设置输入引脚MSET和PSET相连时，芯片的测量模式将工作在默认的斜率和中心点上(精确幅度测量比例系数为30mV/dB，精确相位测量比例系数为10mV/度，中心点为900mV)。另外测量模式下，工作斜率和中心点可以通过引脚MSET和PSET的分压加以修改。在中心点900mV处其增益是0dB，-30dB-+30dB的增益范围对应于0-1.8V的输出电压范围;在中心点900mV处其相位为90度，0-180度的相位范围对应于1.8-0V的输出电压范围。如图5所示，输入的电压BV和电流BI信号，经过AD8302所构成的幅相检测电路之后，输出的BBV就反映了BV与BI的增益比，输出的BBI则反映了BV与BI的相位差。使用专用的幅相检测芯片，可以避免分立电路产生的器件不一致以及失调等问题。其输出信号只需用普通A/D进行采样，即可按公式计算出电池内阻^[4]。

2.5 电池电量与电压的对应关系：

　　测量电池的负载电压，再根据如图6曲线，可以计算出电池的剩余容量。

3 装置实物图

　　根据上述设计思路，研制出检测仪器电池电量测试仪。实物如图7所示。

　　整机内部包含辅助开关电源、主线路板、按键板、测试端子、液晶屏等,如图9、图10所示。

4 检测仪器蓄电池测试装置图的应用

　　检测仪器蓄电池测试装置，对兆欧表电量的测试如图11所示。

　　首先，兆欧表与检测仪器电池电量检测装置相连，四根连线，其中两根是测试线，两根信号线。开机，设置相关参数，进入测试，按确定键，装置自动将电池的几个参数顺序测试完成后，给出电池的运行状况^[5]。

　　检测仪器电池检测仪界面显示：图12所示。

5 推广应用

　　鉴于本文研制的检测仪器—电池电量的测试装置，在国网嘉兴供电公司、恒兴电力建设有限公司、嘉兴市恒欣电建有限公司实际生产应用过程中，使用方便、安全可靠、效果显著，本项目获2014年全国优秀质量管理小组，目前已申请国家知识产权发明专利与实用新型专利各一项。并在2014年，列为国网浙江省电力公司群众性科技性项目，在浙江省电力系统全面推广应用。

6 总结

　　针对检测仪器在测试工作过程中，常常碰到的检测仪器电池无电、电量不足、虚拟电量等因素，造成仪器无法测试及所测数据不正确等问题，给日常工作造成很大的不便;产生安全隐患及所测数据正确率低，产生对被测电气设备的状态误判断，本文研制的检测仪器电池电量测试的装置，电力系统在日常的安装、检修、预试检测工作前，能及时发现检测仪器电池不足、电池损坏等状态。工作人员及时针对性处理。以此来清除安全隐患，保障现场作业测试仪器的正常运行的装置。

参考文献：

　　[1] 何嘉斌,恭兰芳,何方.快速数据采集模块的研制.武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2004,28(3): 471～475

　　[2] 马青玉.高压蓄电池组的计算机检测设计 [ J]. 电子工程师,2002,28(1):25-26

　　[3] 何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术.北京:北京航空航天大学出版社, 2001 247～365

　　[4] 李维,郭强,周云仙.液晶显示应用手册.北京:电子工业出版社,2002.374～414

　　[5] 刘永智,杨开愚.液晶显示技术.四川:电子科技大学出版社,2003.134～254

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第3期第60页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。