锂电池电压检测系统设计：大容量蓄电池SOH及SOC检测系统的研究与设计

1.2.3　蓄电池状态估算铅酸蓄电池的内阻是指电流通过电池内部时所受到的电子“阻力”。电池的内阻不是常数，因为在充放电过程中，蓄电池内部的活性物质的构成、电解液浓度和温度都在随着时间的变化而不断变化。正极板软化、负极板硫化和失水都会导致蓄电池的内阻增大。研究表明，在放电过程中，电池的内阻、电压与SOH、SOC具有紧密的联系。根据文献［10］、［11］提出的SOH和SOC估算模型，融合改进内阻法和电压法，本文提出了一种可自校准的SOH及SOC估算新方法，具体实现步骤如下。1）校准试验：对满电的电池进行恒流放电试验，间隔相同时间测量电池的电压和内阻，直至电池完全放

电结束，获得参照电压表V［i］和参照内阻表R［i］，i＝1，2，2，…，n，并根据最大放电容量Cmax，计算得参照健康状态SOH。

2）SOH估算：根据内阻增大的程度来估算SOH，测量出蓄电池当前的电压Vm和内阻Rm，然后查找参照电压表V［i］，找到最接近Vm的第i次数据，再根据下式计算当前的SOH:

（4）

3）SOC估算：根据开路电压法来估算SOC，在SOH为100％的情况下，蓄电池开路电压与剩余容量存在很明显的线性关系。因此在SOH不是100％的情况下，蓄电池SOC的计算方法如下所示：

（5）

式（4）和（5）中：SOH为估算的健康状态；SOH0为参照健康状态；Rm为电池内阻测量值；R［i］为第i次数据的参照内阻；SOC为估算的容量状态；Vm为电池电压测量值；Vmin为完全放电时的电池电压；Vmax为充满电时的电池电压。

1.3　内阻测量原理

关于蓄电池内阻的测量有两种方法：直流放电法和交流信号注入法［12］。由于电容效应的影响，用交流注入法测量内阻具有不准确性，尤其当测试信号的频率越高时，内阻测量值越不准确，而直流测量法可以有效地避开电容效应的影响。因此，本文采用四线制直流脉冲放电法测量蓄电池内阻，测量原理如图1所示。图1（a）为蓄电池Thevenin等效模型，图1（b）为瞬态脉冲放电过程，图中：E0为理想电压源，RΩ为欧姆内阻，RC为极化内阻，C为极间电容，I为放电电流，V为电池电压，ΔV为电压降。在直流放电过程中，蓄电池内阻R等效于欧姆内阻RΩ和极化内阻RC之和，根据欧姆定理可知：

（6）

计算得：

（7）

图1 内阻检测原理为精确在线测量蓄电池内阻，本文设计了以单片机MC9S12XS128为核心主控制单元的内阻测量子系统，如图2所示，采用四线制接线法，电压采样与电流采样相互独立，消除了导线电阻和接触电阻对测量的干扰。电压采样电路由精密电阻分压网络和运算放大器AMP组成，电流采样电路由霍尔元件和运算放大器AMP构成的差动放大电路组成。单片机MC9S12XS128通过隔离驱动器OP控制放电开关SWITCH，使蓄电池产生一个瞬态脉冲大电流，高速ADC同步采集电压、电流，根据公式（7）计算出蓄电池的内阻。采用该瞬态脉冲放电法不仅有利于准确测量蓄电池内阻，而且还能激活蓄电池，避免蓄电池长期不放电、电极周边被氢气泡“围困”导致“钝化”的问题。

图2 内阻测量子系统

系统设计2.1　硬件结构为完成蓄电池内阻、电压、电流等参数的测量，实现蓄电池SOH及SOC的准确估算，本文设计的便携式蓄电池SOH及SOC智能检测系统的硬件实现方案如图3所示。该系统以高速、低功耗、高抗干扰的单片机MC9S12XS128为控制中心，主要由过流保护电路、电压及电流采样电路、隔离驱动电路、内阻测量子系统、恒流放电子系统、电池充电子系统、LCD液晶显示和通信接口等部分组成。

图3 系统硬件结构图2.2　下位机软件便携式蓄电池SOH及SOC智能检测系统的主程序是一个不停循环的结构，周而复始地根据用户指令对蓄电池进行检测与控制，软件实现主流程如图4所示。系统主要有两大功能，即估算电池状态和自校准，其工作原理及过程如下：1）估算电池状态。单片机控制内阻测量子系统进行瞬态脉冲放电，同步测量蓄电池内阻、电压的数据，根据式（3）和（4）估算出SOH、SOC；2）自校准。单片机控制电池充电子系统，使蓄电池达到完全充满的状态，接着控制恒流放电子系统以0.1C放电倍率进行连续放电，放出已知容量后测量并记录内阻、电压数据，循环连续放电和测量直至蓄电池完全放电。然后根据释放的最大容量可得出参照健康状态SOH0，以及参照电压表V[i]和参照内阻R[i]。LCD液晶屏和触摸屏便于用户查看数据和操作控制。通信接口设有RS485、Wifi、以太网等，可实现与电脑或手机等终端进行交互和实时在线监测功能，提高了系统的灵活性、高效性。

图4 软件主程序流程图2.3　上位机软件为了便于蓄电池SOH和SOC的在线监测与控制，采用C 语言设计了系统的上位机软件，界面简洁美观，易于操作。上位机软件可通过TCP或串口方式进行通信，不仅可以实时监测蓄电池的电压、电流、内阻、SOH、SOC等信息，还可以设置单体电压、额定容量、截止电压、放电电流等。该软件不仅可以控。制蓄电池进行检测、放电和充电，还可以监测蓄电池的充电状态以及用电情况。3　实验结果为验证本系统对不同蓄电池的SOH及SOC的检测效果，采用额定容量分别为100、150、300AH的12V蓄电池，分别检测放电过程中SOH和SOC的变化。实验时，首先使蓄电池达到完全充满电状态，然后检测出蓄电池的当前健康状态SOH和容量状态SOC，接着用蓄电池监测仪ART-5780进行0.1C恒流放电测试，放出10％左右的容量后再检测SOH和SOC。循环检测和放电测试，直至蓄电池完全放电。获得总放电容量Cmax后，通过逆向计算得出每次检测时的实际剩余容量Cremainn,根据式（1）和（2）可算出SOH和SOC的真实值。最后得到的SOH真实值分别为91％、34％和98％，实验结果如图5所示。

图5 实验结果图5（a）为蓄电池SOH的检测曲线，图5（b）为SOH检测误差曲线，可以看出，SOH检测值能够很好地跟踪真实值，呈良好的相关关系，而且基本不受放电时间的影响，检测误差很小，最大误差仅为3.7％。图5（c）为蓄电池SOC检测值与真实值的对比曲线，图5（d）为SOC检测误差曲线，可以看出，SOC的检测值与真实值为正比例关系，最大误差仅为8.1％，可见检测结果十分准确，而且对不同老化的电池具有同样的检测效果。本系统对蓄电池SOH和SOC的检测结果准确可靠，精度分别达到了96.3％和91.9％，完全能够满足实际应用的要求。4　结语针对蓄电池SOC和SOH的估算问题，本文在实现“精确检测蓄电池内阻 同步检测蓄电池端电压”的基础上，提出了一种蓄电池SOC和SOH的在线估算新方法。基于该方法设计了便携式蓄电池SOH及SOC智能检测系统，该系统不仅可以实时在线检测蓄电池的内阻、电压、电流等特性参数，还可以快捷地对蓄电池健康状态SOH及剩余容量SOC进行高精度的估算。实验结果表明，该仪器对SOH和SOC的检测精度分别达到了96.3％和91.9％，可广泛用于蓄电池电源管理系统的现场检测和在线监测，以及废旧蓄电池的辨别和预警等，对提高蓄电池的利用率、延长铅酸蓄电池的寿命以及减少废旧铅酸蓄电池对环境的污染具有重要的现实意义，应用前景十分广阔。

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来源：武汉大学学报（工学版）

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