專利名稱：一種鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)及檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蓄電池性能檢測技術(shù)，具體是對待測鉛酸蓄電池性能指標(biāo)進行在線檢測的方法。
背景技術(shù)：
鉛酸蓄電池在汽車、通信、牽引等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，雖然鉛酸蓄電池與技術(shù)先進的鋰電池、鎳氫電池等相比，其能量低、深循環(huán)壽命短，但由于其功率特性好、自放電小、高低溫性能優(yōu)越、生產(chǎn)和回收技術(shù)成熟以及具有廉價優(yōu)勢，仍然是二次電池的主流產(chǎn)品。然而，相應(yīng)的鉛酸蓄電池檢測技術(shù)的發(fā)展卻比較滯緩，已有的鉛酸蓄電池檢測方法有 電壓測量法、核對放電法、在線快速容量測試法(電池巡檢法)、比較普及的電導(dǎo)(內(nèi)阻)測量法，這些檢測方法分別有以下明顯的不足
(I)在浮充狀態(tài)下，由于壞電池或者落后電池與正常電池的電壓沒有太明顯區(qū)別，也沒有太好的規(guī)律性可言，即便是淺度放電狀態(tài)，單純通過電壓高低不足以判別電池性能的好壞。因此，鉛酸蓄電池電壓測量法，很快被其他的檢測方法取代。(2)傳統(tǒng)的核對放電設(shè)備普遍采用電阻絲或者水阻進行核對放電，并且是人工操作，程序繁瑣，存在一定的人身危險，這種傳統(tǒng)的核對放電試驗方式正在逐步被淘汰。目前，國內(nèi)外普遍采用智能核對放電技術(shù)，該技術(shù)利用PWM控制原理，根據(jù)放電過程中電池組放電電壓的變化，對放電假負載可以進行實時調(diào)整，以保證電池組恒流放電。核對放電法具有容量測試準(zhǔn)確可靠的優(yōu)點，缺點是①核對放電時間長，風(fēng)險大，電池組須脫離系統(tǒng)，鉛酸蓄電池組所存儲的化學(xué)能全部以熱能形式消耗掉，既浪費了電能又費時費力，并且增加了系統(tǒng)斷電風(fēng)險；②進行核對性放電試驗，必須具備一定條件，首先，盡可能在市電基本保障的條件下進行；其次，機房必須有備用電池組，所以更適于具備一主一備電池組結(jié)構(gòu)的機房。③目前，核對放電只能測試整組電池容量，不能測試每一節(jié)單體電池容量，以容量最低的一節(jié)作為整組容量，而其他部分電池由于放電深度不夠，其劣化或落后程度還不能完全充分暴露出來。④頻繁地對鉛酸蓄電池進行深放電，會產(chǎn)生硫酸鉛沉淀，導(dǎo)致極板硫酸化，容量下降，電池落后，因此，不適宜對鉛酸蓄電池頻繁進行深放電。所以，核對放電只能對鉛酸蓄電池進行定期維護，無法滿足日常維護的需要。(3)在線快速容量測試法(電池巡檢法)，操作簡單，風(fēng)險系數(shù)小，并可以快速查找落后電池，但測試精度低，只能作為電池落后狀態(tài)判定依據(jù)，不能準(zhǔn)確測算電池的好壞程度及電池容量指標(biāo)。同時測試要求較高，如要達到一定的測試精度，則測試環(huán)境一般應(yīng)滿足包括放電因素在內(nèi)的系列條件，而測試環(huán)境實際情況卻各有差別，大多達不到相應(yīng)的測試要求。(4)電導(dǎo)法能準(zhǔn)確查出完全失效的電池，根據(jù)電池電導(dǎo)值或者內(nèi)阻值，可以在一定程度上確定電池的性能，但對于電池的好壞程度，卻不足以準(zhǔn)確地測算出電池的實際性能指標(biāo)，尤其是容量指標(biāo)?？傊?，單純靠電池端電壓來了解電池性能的方法已經(jīng)被淘汰，而依據(jù)在線測試法對電池進行容量測試的手段還不夠準(zhǔn)確和可靠，所以了解電池的實際容量最準(zhǔn)確的方法是通過放電檢測的手段來進行，核對放電試驗?zāi)壳叭允俏ㄒ槐还J(rèn)的測試剩余容量的最有效方法，它是衡量鉛酸蓄電池在關(guān)鍵時刻能否發(fā)揮作用，確保通信暢通與生產(chǎn)正常的重要手段。但由于風(fēng)險大，時間過長，工作量過大，不宜作為日常檢驗的測試儀器，只宜作為電池組以一年一度或者三年一度的核對放電測試。因此，探索一種快速、準(zhǔn)確、可靠和安全的鉛酸蓄電池測試技術(shù)，已成為目前本領(lǐng)域的迫需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種普適無損、可在線且精度高的鉛酸蓄電池性能檢測系統(tǒng)及檢測方法。本發(fā)明的一種鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)采用的技術(shù)方案是DSP控制模塊分別經(jīng)電源驅(qū)動電路、電壓控制電路連接測試電源，DSP控制模塊還和上位機處理單元相連 接，CPLD采集模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路連接待測鉛酸蓄電池，CPLD采集模塊還連接RAM ;所述測試電源與測試內(nèi)阻R1和定時開關(guān)S1串聯(lián)后加于標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端上組成沖擊電壓發(fā)生器，標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1與補償電壓V2串聯(lián)后接在所述待測鉛酸蓄電池的兩端，補償電壓V2與待測鉛酸蓄電池開路電壓相同，測試電源的電壓大小在待測鉛酸蓄電池的耐壓值范圍之內(nèi)。本發(fā)明的鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)的檢測方法的技術(shù)方案是采用如下步驟I)測試電源在DSP控制模塊的控制下產(chǎn)生大小與測試電源匹配的電壓，閉合時控開關(guān)S1,測試電源對標(biāo)準(zhǔn)電感L1充電，斷開時控開關(guān)S i，標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的沖擊測試信號，施加在待測鉛酸蓄電池上形成衰減振蕩；
2)衰減振蕩波形經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送至CPLD采集模塊，暫存于RAM中，DSP控制模塊經(jīng)CPLD采集模塊讀取測試數(shù)據(jù)；
3)上位機處理單元對DSP控制模塊讀取的測試數(shù)據(jù)進行綜合分析，計算出待測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻值，以衰減振蕩波形的衰減指數(shù)、振蕩頻率、波形面積、電阻值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元，以S0C、剩余容量和電容值作為輸出層神經(jīng)元，建立評價待測鉛酸蓄電池特征的專家數(shù)據(jù)庫，實時更新數(shù)據(jù)庫，由4個輸入量直接得到3個輸出量的值。本發(fā)明的優(yōu)點在于檢測過程中未對鉛酸蓄電池進行大電流充放電，所以對鉛酸蓄電池?zé)o損耗；調(diào)節(jié)可控電阻的值，可對多種型號的鉛酸蓄電池進行檢測；在鉛酸蓄電池兩端加上一個合適的脈沖信號，可以在線檢測鉛酸蓄電池的電阻和電容等屬性；基于內(nèi)阻測量法，從而保證了使用初期即可對鉛酸蓄電池的性能狀況進行判斷；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)了全程電壓自適應(yīng)和高精度測試。


圖I為待測鉛酸蓄電池性能檢測系統(tǒng)連接原理 圖2為圖I中待測鉛酸蓄電池與測試電源的測試電路 圖3為圖I中信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路以及CPLD組成的電壓采集模塊的主電路圖； 圖4為BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式參見圖I所示的待測鉛酸蓄電池性能檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括相連的DSP控制模塊和CPLD采集模塊，DSP控制模塊分別經(jīng)電源驅(qū)動電路、電壓控制電路連接測試電源，DSP控制模塊還分別與液晶顯示單元和上位機處理單元相連接。CPLD采集模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路連接待測鉛酸蓄電池，CPLD采集模塊通過信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路對待測鉛酸蓄電池的電壓進行采集，CPLD采集模塊還連接RAM。參見圖2，其中虛線框內(nèi)的部分為待測鉛酸蓄電池的等效電路，測試電源是直流電壓源V1，直流電壓源V1的大小在待測鉛酸蓄電池的耐壓值范圍之內(nèi)，直流電壓源V1與一大小合適的測試內(nèi)阻R1和定時開關(guān)S1串聯(lián)后，加于一標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端上，共同組成沖擊電壓發(fā)生器，產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的測試電流。將標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1與一補償電壓V2串聯(lián)后接在待測鉛酸蓄電池的兩端，其中補償電壓V2的值與待測鉛酸蓄電池開路電壓大小相同。由于待測 鉛酸蓄電池外接電路和內(nèi)部存在耗能元件，從而形成衰減振蕩。參見圖3，信號調(diào)理電路采用多通道，選用TI公司的0P07芯片，0P07芯片是一種低噪音、非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路，其低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得0P07芯片特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。以通道CHO為例，電路結(jié)構(gòu)采用差分式減法電路。電阻R21作為反饋電阻，一端連接0P07芯片的反向輸入端，另一端連接0P07芯片的輸出端；電阻R22、R23分別與0P07芯片的反向和同向輸入端相連；電阻R24 —端接地、另一端接0P07芯片的同向輸入端。其中
放大倍數(shù)為^ + 1。器作為放大％路與A/D轉(zhuǎn)換白勺中|旬KZZ = K15IR12
隔離級，降低測量誤差。其同向輸入端與0P07芯片的輸出端相連，而反向輸入端與輸出端相連，且其輸出作為A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入。其他通道類似。A/D轉(zhuǎn)換電路采用Maxim公司的MAX1148芯片，MAX1148芯片是一種多通道、真差分、8通道、14位逐次逼近、串行輸出模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有單電源供電、自帶內(nèi)部基準(zhǔn)電壓、轉(zhuǎn)換精度高、轉(zhuǎn)換速率快、功耗低、外圍電路簡單、占用微處理器資源少、易于連接等優(yōu)點。其中MAX1148芯片輸入信號5、串行數(shù)據(jù)輸A DIN、外部時鐘SCLK和串行觸發(fā)輸出SSTRB從CPLD采集模塊讀取，而串行數(shù)據(jù)輸出DOUT端的數(shù)據(jù)直接傳送給CPLD采集模塊。
上述檢測系統(tǒng)在對待測鉛酸蓄電池性能進行在線檢測的檢測方法如下
第一步測試電源在DSP控制模塊的控制下，產(chǎn)生一個足夠驅(qū)動功率并與測試對象匹配的電壓，電壓大小是圖2中的直流電壓源V1的電壓大小。在測試系統(tǒng)中，根據(jù)檢測對象的不同，選擇合適的測試內(nèi)阻R1與測試電源串聯(lián)。然后將該測試電源加于一標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端上，產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的測試電流。電路如圖2所示測試電源V1與時控開關(guān)S1、標(biāo)準(zhǔn)電阻R1和標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1串聯(lián),組成一沖擊信號發(fā)生器。設(shè)定時控開關(guān)閉合的時間不低于5ms。當(dāng)時控開關(guān)S1閉合時測試電源對標(biāo)準(zhǔn)電感L1充電(測試電源的值應(yīng)在待測鉛酸蓄電池的耐壓范圍內(nèi))，當(dāng)時控開關(guān)S :斷開時，標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的沖擊測試信號。第二步根據(jù)待測鉛酸蓄電池現(xiàn)狀，加入一與蓄電池開路電壓大小相同的補償電壓V2。在測試按鍵按下后，系統(tǒng)開始測試。此時系統(tǒng)斷開測試電源，將標(biāo)準(zhǔn)的沖擊測試信號施加在待測鉛酸蓄電池上，形成衰減振蕩。若衰減波形產(chǎn)生的較慢，可選擇一電容串聯(lián)在回路中。如圖2所示極性電容仏與可變電阻R2的串聯(lián)為待測鉛酸蓄電池的等效模型，將補償電壓V2 (與待測鉛酸蓄電池開路電壓大小相同)與待測鉛酸蓄電池串聯(lián)，然后與標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1并聯(lián)。此時系統(tǒng)斷開測試電源即直流電壓源V1，使標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1電感電流與待測鉛酸蓄電池形成放電回路，由于待測鉛酸蓄電池中存在電阻消耗電流產(chǎn)生衰減振蕩。第三步衰減振蕩波形經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整到合適的大小，送給A/D轉(zhuǎn)換電路，對信號模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的信號由CPLD采集模塊進行采集，暫時存儲于RAM中。待測試完成后，DSP控制模塊再經(jīng)CPLD采集模塊讀取測試數(shù)據(jù)。
第四步上位機處理單元通過Matlab軟件和BP多層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)待測鉛酸蓄電池性能的綜合分析，對DSP控制模塊讀取的測試數(shù)據(jù)進行綜合分析。用Matlab軟件計算波形的特征值衰減指數(shù)(、波形面積S、振蕩頻率f 和初相位4，根據(jù)衰減振蕩波形，通過常規(guī)公式可計算出待測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻值。通過實驗數(shù)據(jù)對照已有內(nèi)阻檢測法中內(nèi)阻值與S0C、剩余容量之間的關(guān)系，分析待測鉛酸蓄電池的SOC和剩余容量狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上以衰減指數(shù);、振蕩頻率、波形面積S、電阻值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元，以S0C、剩余容量和電 容值作為輸出層神經(jīng)元，如圖4所示。建立評價待測鉛酸蓄電池特征的專家數(shù)據(jù)庫，并通過實測比對不斷修正能表征待測鉛酸蓄電池性能的特征數(shù)據(jù)庫，實時更新學(xué)習(xí)樣本。最終實現(xiàn)由4個輸入量直接得到3個輸出量的值，提高分析的便捷性和準(zhǔn)確性。
權(quán)利要求
1.一種鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)，其特征是=DSP控制模塊分別經(jīng)電源驅(qū)動電路、電壓控制電路連接測試電源，DSP控制模塊還和上位機處理單元相連接，CPLD采集模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路連接待測鉛酸蓄電池，CPLD采集模塊還連接RAM ;所述測試電源與測試內(nèi)阻凡和定時開關(guān)S1串聯(lián)后加于標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端上組成沖擊電壓發(fā)生器，標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1與補償電壓V2串聯(lián)后接在所述待測鉛酸蓄電池的兩端，補償電壓V2與待測鉛酸蓄電池開路電壓相同，測試電源的電壓大小在待測鉛酸蓄電池的耐壓值范圍之內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)，其特征是信號調(diào)理電路采用0P07芯片，電阻R21 —端連接0P07芯片的反向輸入端，另一端連接0P07芯片的輸出端；電阻R22、R23分別與0P07芯片的反向和同向輸入端相連，電阻R24 —端接地、另一端接0P07芯片的同向輸入端，電壓跟隨器同向輸入端與0P07芯片的輸出端相連，反向輸入端與輸出端相連，且電壓跟隨器輸出是A/D轉(zhuǎn)換電路的輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)，其特征是 A/D轉(zhuǎn)換電路采用MAX1148芯片，MAXl 148芯片輸入信號 串行數(shù)據(jù)輸入DIN、外部時鐘SCLK和串行觸發(fā)輸出SSTRB從CPLD采集模塊讀取，串行數(shù)據(jù)輸出DOUT端的數(shù)據(jù)直接傳送至CPLD采集模塊。
4.一種如權(quán)利要求I所述鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)的檢測方法，其特征是具有如下步驟 1)測試電源在DSP控制模塊的控制下產(chǎn)生大小與測試電源匹配的電壓，閉合時控開關(guān)S1，測試電源對標(biāo)準(zhǔn)電感L1充電，斷開時控開關(guān)S I，標(biāo)準(zhǔn)測試電感L1兩端產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的沖擊測試信號，施加在待測鉛酸蓄電池上形成衰減振蕩； 2)衰減振蕩波形經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后送至CPLD采集模塊，暫存于RAM中，DSP控制模塊經(jīng)CPLD采集模塊讀取測試數(shù)據(jù)； 3)上位機處理單元對DSP控制模塊讀取的測試數(shù)據(jù)進行綜合分析，計算出待測鉛酸蓄電池的內(nèi)阻值，以衰減振蕩波形的衰減指數(shù)、振蕩頻率、波形面積、電阻值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元，以S0C、剩余容量和電容值作為輸出層神經(jīng)元，建立評價待測鉛酸蓄電池特征的專家數(shù)據(jù)庫，實時更新數(shù)據(jù)庫，由4個輸入量直接得到3個輸出量的值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種鉛酸蓄電池性能在線檢測系統(tǒng)及檢測方法，對待測鉛酸蓄電池性能指標(biāo)進行在線檢測，DSP控制模塊分別經(jīng)電源驅(qū)動電路、電壓控制電路連接測試電源，DSP控制模塊和上位機處理單元相連接，CPLD采集模塊經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路和信號調(diào)理電路連接待測鉛酸蓄電池，測試電源與測試內(nèi)阻和定時開關(guān)串聯(lián)后加于標(biāo)準(zhǔn)測試電感兩端上組成沖擊電壓發(fā)生器，標(biāo)準(zhǔn)測試電感與補償電壓串聯(lián)后接在待測鉛酸蓄電池兩端，以衰減振蕩波形的衰減指數(shù)、振蕩頻率、波形面積、電阻值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元，以SOC、剩余容量和電容值作為輸出層神經(jīng)元，得到3個輸出量的值；檢測過程中未對鉛酸蓄電池進行大電流充放電，對鉛酸蓄電池?zé)o損耗。
文檔編號G01R31/36GK102967831SQ20121034210
公開日2013年3月13日 申請日期2012年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月17日
發(fā)明者何寶祥, 儲開斌, 何可人, 聶茹 申請人:常州大學(xué)