基于LabVIEW的蓄电池内阻测试仪的设计

基于LabVIEW的蓄电池内阻测试仪的设计刘登峰，邵天章（军械工程学院电力工程教研室，河北石家庄050003）摘要：采用暂态直流小电流电量比较法对蓄电池内阻进行测试，设计了基于LabVIEW的实时内阻测量系统，并介绍了LabVIEW上位机数据采集控制界面实现。实际运行表明，该系统实现并提高了蓄电池内阻测试的准确性和稳定性。关键词：LabVIEW蓄电池电池内阻中图分类号：TM912文献标识码：A蓄电池性能状态主要由电压、电流、容量和内阻来体现，其中容量和内阻是蓄电池性能的重要标志，文献[5]通过大量的实验给出蓄电池内阻与容量的相关系数，在直流测试的情况下，其相关系数达0.92。因此，可以通过测量蓄电池的内阻，对其性能状态进行评估。1、电量比较法原理系统采用暂态直流小电流电量比较法测量蓄电池的内阻，即把蓄电池与高精密小电阻串联，向蓄电池和串联小电阻通过一定时间（几十ms）的直流小电流（几百mA），同步计算出这个电流在蓄电池内阻和串联小电阻上产生的电压响应信号，求得各自消耗的电量，便可计算出蓄电池的内阻。蓄电池与电阻的等效串联电路如图1所示：图1等效串联电路图1中R0是阻值为0.5Ω的高精密小电阻，虚线内为蓄电池的等效内阻内R，RΩ为蓄电池的欧姆内阻，RC为极化内阻，C为极间电容。设：I为通路中的暂态直流小电流，内R为待测蓄电池的等效内阻，R0为串联小电阻，内U为t时刻I在内R上的响应电压，U0为t时刻I在R0上的响应电压，内Q为T1到T2时间内在内R上消耗的电量，0Q为T1到T2时间内在R0上消耗的电量。则：由于t时刻通过内R及R0的暂态电流为同一电流I。因此，由公式（1）、（2）可得（3）式表明，暂态直流小电流分别在蓄电池等效内阻内R以及串联小电阻0R上所消耗的电量与这两个电阻的阻值成等比关系。另外，内Q、0Q又满足：）（内内1Q212dtIRTT）（2RQ21200dtITT）（内内4Q21dtIUTT）（内内内3RRQQ020202121RdtIdtIRTTTT）（5UQ2100dtITT由于t时刻引起响应电压的激励电流为同一电流I，因此，由公式（4）、（5）可得：可得：（7）式表明，待测蓄电池的等效内阻与串联小电阻之间存在线性的对应关系。由于串联小电阻的阻值固定不变。因此，只要能设法测出t时刻的瞬态响应电压，就可最终求得待测蓄电池的等效内阻。2、系统的硬件结构2.1硬件结构及工作原理本系统的硬件部分实现信号的采集及预处理。系统硬件结构如图2所示。图2蓄电池内阻测试原理图系统硬件主要包括：激励源电路、信号调理电路、多功能数据采集卡、操作平台。激励源电路提供注入电池的交流激励信号，信号调理是系统的核心之一，它能从背景噪声较大的信号源中提取有用的微弱信号。采集卡采集数据，并通过LabVIEW编程实现信号调理，进行一些必要的放大、滤波等处理。2.2采集卡选择数据采集卡是虚拟仪器系统中的重要组成部分，它的精度和速度影响着测试系统的整体性能。系统采用的是美国NI公司生产的基于14位USB总线的USB-6009型多功能采集卡，提供8通道、14位模拟输入、2个模拟输出、12条数字I/O线以及一个32位定时器，信号输入范围是-10V～10V，同时采样率高达48kS/s，支持USB2.0，足以满足要求。3软件设计3.1数据流程分析系统的软件部分进行数据的采集、控制以及对数据的进一步分析、处理和显示。其应用程序流程图如图3所示。图3应用程序流程图图3为信号流的应用程序流程图。当点蓄电池内阻电压响应信号采样激励源电流控制对比电阻电压响应信号采样激励电流R0待测蓄电池上位机LabVIEW界面信号调理电路信号处理、显示密码登陆初始化参数设置读入数据A/D转换数字信号进入采集卡的缓存读入计算机内存开始采集）（内内7212100TTTTdtUdtURR）（内内内6UUQQ21212121000dtdtUdtIdtIUTTTTTTTT击“运行”(LabVIEW环境提供)按钮后，程序将按如下步骤运行，直至“停止”。3.2系统程序设计本环节利用LabVIEW8.5中强大的数据采集函数编写数据采集程序，在LabVIEW中，模拟信号的采集方式主要有单点采集、有限数量采集以及连续采集等，其中有限量采集以及连续采集既可用于恒定信号的采集也可用于变化信号的采集，其采集结果是一个波形数据。但连续采集的特点是循环使用缓冲区，因此如果采集数据较多时，连续采集循环具有较大的优势。系统采用连续采集的方法，其程序框图如图4所示。图4程序框图图4是数据采集的程序框图，分别调用了程序初始、设置数据采集卡、读入数据、参数设置、退出采集、退出程序等子Vi。3.3信号的滤波分析测量蓄电池的内阻的电压响应信号是本系统的难题之一，测量的准确度直接关系到数据分析处理的准确度。信号采集过程中，不可避免的会受到外界影响，使采集信号中混有不同频率的杂波，在线测量主要存在以下因素影响测量结果：(1)测量线耦合的高频干扰信号(2)50Hz工频干扰(3)充电机低频纹波为了消除这些干扰，提高采集信号的精确性，就需要对采集信号进行滤波。LabVIEW自带的滤波函数参数设置采用对话框形式进行，不便于实时修改，在本系统中，对此程序进行了一定的修改，使其采用数据接口形式进行滤波器相关参数设定，在测试时，根据测试信号的频率范围和周围噪声的影响，实时对滤波器各参数进行调整，以便从测试信号中最大程度的削减噪声干扰。系统使用的软件滤波器程序如图5所示。图5软件滤波程序3.4电压有效值提取模块被测蓄电池与内阻测试仪内部的一个高精密电阻串联，构成分压电路，从串联电路上取出各自的交流信号分量，使测量不受蓄电池直流电压和蓄电池负载的影响。其程序框图如图6所示。图6信号测试框图4、结果分析为了验证本仪器测量结果的精确，用BT-6100手持式蓄电池内阻容量分析仪和本测试仪对某汽车用200Ah阈控密封铅酸蓄电池的内阻进行了测试，记录不同容量时的内阻值，试验结果如表1所示。单位：mΩ剩余容量（%）100%80%60%40%本系统测试值4.394.504.827.15某型测试仪4.474.554.867.24表1蓄电池不同剩余容量内阻测试结果试验结果表明，本系统可以精确测量蓄电池的内阻。5结论蓄电池内阻测试仪采用暂态直流小电流电量比较法，通过测量蓄电池和精密电阻对暂态直流小电流信号在一定时间内消耗的电量来获得蓄电池的内阻、它克服了以往交流阻抗法和直流放电法的缺点。具有可靠性高、抗干扰能力强，稳定性好的特点。把虚拟仪器技术应用于系统的软硬件设计，操作简单，自动化程度高，数据处理方便。参考文献[1]杨乐平，李海涛，肖相声等.LabVIEW程序设计与应用.北京:电子工业出版社，2005.[2]李立伟，邹积岩.蓄电池内阻测量装置的研究.电源技术.2003.[3]MasayukiMaeda,ToshioOhara,KennethW.Hurst,JamesViator.RemotedatacollectionofVRLAbatteryatbellsouthdistributedpowersites,0-7803-7512-2IEEE,2001.[4]高东.基于LabVIEW的铅酸蓄电池监测系统的开发[D].大连：大连理工大学硕士学位论文，2007.[5]Sudhan,M.S.,Noveske,T.M.,Holden,L.S.,etal,UseofACimpedance/conductanceandDCresistancefordeterminingthereliabilityofVRLAbatterysystems,0-7803-1842-0,IEEE,1993.[6]Tsujikawa,T.,Kiyokawa,I.,Matsushima,T.,Muroyama,S.,VRLAbatteryremotemanagementsystem,0-7803-8458-X,IEEE,2004.DesignofbatteryinternalresistancemeasuringinstrumentbasedonLabVIEWLIUDeng-feng,SHAOTian-zhang（DepartmentofElectricEngineeringofOrdanceCollege,HebeiProv.Shijiazhuang050003,China）Abstract:DCwithlowcurrentconsumptiontransientcomparativemethodtotestthebatteryinternalresistance,designcomposedbytheLabVIEWreal-timeresistancemeasurementsystem,andintroducestheLabVIEWPCdataacquisitionandcontrolinterfaces.Practicaloperationshowsthatthesystemimplementedandimprovedbatterytestingaccuracyandstabilityofresistance.Keywords:LabVIEW;battery;internalresistance;作者简介：刘登峰（1985-），男，河南省商丘市人，硕士研究生，研究方向：牵引（自行）固定供电系统运行技术。联系方式：单位：石家庄军械工程学院电力工程教研室地址：河北省石家庄市和平西路97号军械工程学院电气工程系电力工程教研室邮编：050003手机：[phone]邮箱：[e-mail]