以內阻法于UPS系統中的蓄電池電量估測設計 (1)2011-04-28 01:02:53來源:互聯網
摘要：本文研制以內阻法為基礎的不斷電系統蓄電池電量估測系統，本系統藉由量測電池在充放電過程中的內阻變化來預估電池的殘余電量，此法不但可以快速偵測電池的殘余電量，并可以準確預測其數值。本系統只需擷取電池電壓與電流的變化即能運算出電池內阻，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)。
本偵測系統也搭配LabVIEW圖控式程式語言完成一套鉛酸電池的能量管理監(jiān)控系統，不但可即時監(jiān)控電池的電壓與電流，并具有資料儲存功能，讓使用者透過電腦熒幕即可隨時掌握不斷電系統中的蓄電池使用狀態(tài)。
關鍵字：不斷電系統、內阻偵測法、監(jiān)控系統
前言
近年來由于科技的急速發(fā)展，所產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，皆為導致普及化低下的原因。而在上述等原因之中，最重要的關鍵為電池的能量供應。
而各式各樣的電器設備普及化，緊急照明設備與蓄電池儲能裝置大量的使用，造成蓄電池及其周邊設備的需求飛躍成長。以電腦設備、監(jiān)控儀器、消防設備、醫(yī)療儀器……等，各種精密儀器對電力品質的嚴格要求而言，不斷電系統（Uninterruptible Power Supply, UPS）成為真正能徹底解決電源問題的必要設備，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），足以影響設備正常運轉的電力品質問題時，UPS均會自動穩(wěn)壓濾除雜訊，提供給設備穩(wěn)定且干凈的電源環(huán)境，而提供UPS的主要設備還是電池。
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、溫升過高的現象，并且能延長蓄電池使用壽命，為設計充電器的重點之一。而在不斷電系統之中，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換器并能監(jiān)控蓄電池的殘余容量為目的的系統，藉由轉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。系統架構可分為Flyback轉換器與Buck轉換器；輸入端由市電供給110Vrms/60Hz的交流電壓，經由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，達成轉換器與控制法則的實現。
系統控制規(guī)劃及流程
本文內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阻有密切關系，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束和放電開始、放電結束時，量測電池內阻值的變化情形。
利用上述的實驗方法可得圖3為電池放電與內阻關系圖，由圖可觀察得知當充電容量越飽時電池的內阻會呈現越小的狀況，而當電池容量越少時，電池的內阻將會越大。
利用上述內阻的性質，可對應出當內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位處理器內進行殘量的估測，并利用Matlab中曲線擬合法來求解其電池內阻與放電時間對應曲線。
再利用Matlab軟體的曲線擬合功能，將圖3的各點數值代入，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為內阻估測法的演算流程圖，其演算核心為數位單晶片。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阻值，再利用式（1）取得電池內阻與容量的關系，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的數位轉類比功能，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。在電量計算結束后，判斷電池電壓是否已經低于10.5V的截止放電條件，假設還未低于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。

[1][2]