1．引言

　　蓄電池作為電源系統(tǒng)停電時(shí)的備用電源，已廣泛的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通、通信等行業(yè)。如果電池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必須對(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全面的在線監(jiān)測(cè)。蓄電池狀態(tài)的重要標(biāo)志之一就是它的內(nèi)阻。無(wú)論是蓄電池即將失效、容量不足或是充放電不當(dāng)，都能從它的內(nèi)阻變化中體現(xiàn)出來(lái)。因此可以通過(guò)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，對(duì)其工作狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。目前測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的常見(jiàn)方法有：
　?。?）密度法
　　 密度法主要通過(guò)測(cè)量蓄電池電解液的密度來(lái)估算蓄電池的內(nèi)阻，常用于開(kāi)口式鉛酸電池的內(nèi)阻測(cè)量，不適合密封鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測(cè)量。該方法的適用范圍窄。
　?。?）開(kāi)路電壓法
　　 開(kāi)路電壓法是通過(guò)測(cè)量蓄電池的端電壓來(lái)估計(jì)蓄電池內(nèi)阻，精度很差，甚至得出錯(cuò)誤結(jié)論。因?yàn)榧词挂粋€(gè)容量已經(jīng)變得很小的蓄電池，再浮充狀態(tài)下其端電壓仍可能表現(xiàn)得很正常。
　?。?）直流放電法
　　 直流放電法就是通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電，測(cè)量電池上的瞬間電壓降，通過(guò)歐姆定律計(jì)算出電池內(nèi)阻。雖然這種方法在實(shí)踐中也得到了廣泛的應(yīng)用，但是它也存在一些缺點(diǎn)。如用該方法對(duì)蓄電池內(nèi)阻進(jìn)行檢測(cè)必須是在靜態(tài)或是脫機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。而且大電流放電會(huì)對(duì)蓄電池造成較大的損害，從而影響蓄電池的容量及壽命。
　?。?）交流注入法
　　交流法通過(guò)對(duì)蓄電池注入一個(gè)恒定的交流電流信號(hào)IS，測(cè)量出蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)Vo，以及兩者的相位差

，由阻抗公式

來(lái)確定蓄電池的內(nèi)阻R。該方法不需對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現(xiàn)安全在線檢測(cè)電池內(nèi)阻，故不會(huì)對(duì)蓄電池的性能造成影響。但該方法需要測(cè)量交流電流信號(hào)Is,電壓響應(yīng)信號(hào)Vo，以及電壓和電流之間的相位差

。由此可見(jiàn)這種方法不但干擾因素多，而且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)也影響了測(cè)量精度。

2．蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)原理

　　由于電池內(nèi)阻為毫歐級(jí)，因此采用常規(guī)的兩端子測(cè)量方法測(cè)量誤差較大，在此采用四端子測(cè)量方式。測(cè)量時(shí)兩個(gè)端子施加一頻率為

的恒定交流激勵(lì)電流信號(hào)，另兩個(gè)端子用于測(cè)量。測(cè)量工作原理圖如圖1所示，響應(yīng)信號(hào)是指蓄電池注入交流恒流源后，在其兩端測(cè)出的交流電壓信號(hào)。而正弦信號(hào)是經(jīng)D/A產(chǎn)生的作為壓控恒流源的輸入信號(hào)。

　　設(shè)正弦信號(hào)為：

　?。?）
　　蓄電池兩端的響應(yīng)電壓信號(hào)為：

　　（2）
　　

為注入蓄電池的交流電流和其兩端響應(yīng)電壓信號(hào)的相位差。
　　通過(guò)模擬乘法器后有：

　　K為模擬乘法器的放大系數(shù)。
　　進(jìn)行低通濾波后濾掉交流成分得：

　?。?）

　　由交流法測(cè)內(nèi)阻原理得：

　 （5）
　　式中I為交流恒流源信號(hào)的最大值。比較（4）、（5）可得：

　　上式中K、A、I都是已知量，而u為經(jīng)過(guò)A/D采樣送到單片機(jī)進(jìn)行處理的采樣值，所以在單片機(jī)中進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的除法運(yùn)算便能得到蓄電池內(nèi)阻了。

3．交流恒流源的設(shè)計(jì)

　　成功檢測(cè)蓄電池狀態(tài)的前提是可以提供需要的交流恒流源。恒流源是能夠向負(fù)載提供恒定電流的電源裝置。它是一個(gè)電源內(nèi)阻非常大的電源。為了保證內(nèi)阻有較高的測(cè)量精度及較好的重現(xiàn)性，要求恒流電流源有足夠的穩(wěn)定度，并且波形失真度要小。這里所需交流信號(hào)幅度為40mV，頻率為1KHZ。
但是傳統(tǒng)的低頻交流信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)中存在很多的不足：應(yīng)用通用電路,元器件多,尤其是電容的體積大,且波形的穩(wěn)定性差、失真大,調(diào)節(jié)也極不方便；應(yīng)用專用電路,如ICL8038、MAX038等,其失真和穩(wěn)定性方面有明顯提高,但低頻應(yīng)用時(shí)不合適,調(diào)節(jié)不方便,成本也較高

　　為了解決上述各方法的缺陷，本文采用了四端子測(cè)量方式，將蓄電池兩端上的電壓響應(yīng)信號(hào)通過(guò)交流差分電路與產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬乘法器相乘，再將模擬乘法器的輸出電壓信號(hào)通過(guò)濾波電路，使交流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，直流信號(hào)經(jīng)直流放大器放大后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的值送入單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理。

3．1 設(shè)計(jì)原理

　　本文采用了數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波和電流負(fù)反饋法產(chǎn)生精確交流恒流源法, 交流恒流源實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

電路組成框圖如圖2所示：這是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，電流負(fù)反饋電路。標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生一個(gè)頻率穩(wěn)定、對(duì)稱、失真度低的1KHz正弦波信號(hào)。驅(qū)動(dòng)電路把正弦波放大，去推動(dòng)功放電路，得到正弦交流電流輸出。恒流控制電路從功放輸出中得到的信號(hào)，通過(guò)與給定的信號(hào)相比較，來(lái)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的信號(hào)，從而使輸出電流保持穩(wěn)定。

3．2 標(biāo)準(zhǔn)正弦波的產(chǎn)生原理

　　標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)的產(chǎn)生采用數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器。首先將正弦表數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在如圖3所示的正弦信號(hào)存儲(chǔ)器中,晶振產(chǎn)生振蕩頻率f，經(jīng)過(guò)整型電路變?yōu)橥暾讲l率，再經(jīng)過(guò)R分頻電路得到頻率為f/R,再經(jīng)過(guò)鑒相器FD和環(huán)路濾波器LF電路鎖相分頻后，讀取存儲(chǔ)在正弦信號(hào)存儲(chǔ)器中的正弦值,經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路和經(jīng)低通有源濾器濾波電路，生成圖2 所需的標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

4．總結(jié)
　 
　　與現(xiàn)有技術(shù)相比，該處理方法的適用范圍廣，測(cè)量精度高，對(duì)蓄電池的損害小，可以對(duì)蓄電池進(jìn)行安全的在線監(jiān)測(cè)管理。同時(shí)不需要進(jìn)行交流采樣和求解cos ，就能求出蓄電池的內(nèi)阻值。這簡(jiǎn)化了交流注入法中需要對(duì)蓄電池兩端交流電壓和相位差 進(jìn)行測(cè)量的軟硬件的復(fù)雜程度。該方法可以滿足蓄電池檢測(cè)的要求，取得了較好的實(shí)用效果，完成了對(duì)鉛酸蓄電池的性能檢測(cè)和故障診斷。為蓄電池的在線檢測(cè)提供了一種實(shí)用的方法。

鉛酸電池成本低、技術(shù)成熟、使用性能穩(wěn)定、原料來(lái)源豐富、鉛回收率高成為各電動(dòng)車生產(chǎn)商的首選，與鉛酸電池相對(duì)應(yīng)的充電器也繁榮于市場(chǎng)。

　　目前市場(chǎng)上電動(dòng)車鉛酸電池充電器的設(shè)計(jì)方案大致有兩類：第一類是二階段式，即先恒壓充電，充電電流隨鉛酸電池電壓上升而逐漸減少（即充電電流先大后?。?dāng)鉛酸電池電能補(bǔ)充到一定程度后，鉛酸電池的電壓也會(huì)上升至充電器的設(shè)定值，充電器的紅色指示二極管熄滅，綠色指示二極管隨即點(diǎn)亮，充電器自動(dòng)轉(zhuǎn)入第二階段的涓電流浮充充電；第二類是三階段式，即先恒流充電，而后恒壓充電，當(dāng)鉛酸電池的電壓上升至充電器的設(shè)定值，充電器的紅色指示二極管熄滅，綠色指示二極管隨即點(diǎn)亮，充電器自動(dòng)轉(zhuǎn)入第三階段的涓電流浮充充電。

　　從以上設(shè)計(jì)方案可知：無(wú)論是兩階段式充電還是三階段式充電，最后階段都是涓電流浮充充電。實(shí)踐證明：對(duì)鉛酸電池適當(dāng)時(shí)間的涓電流浮充充電，不僅是更進(jìn)一步充足電量，更重要的是對(duì)鉛酸電池的修復(fù)和保養(yǎng)，防止鉛酸電池形成不可逆的硫酸鹽化，簡(jiǎn)稱“硫化”。實(shí)踐驗(yàn)證，一般以 2~3小時(shí)的涓電流浮充充電為宜，過(guò)充或充電不足都會(huì)嚴(yán)重危害鉛酸電池的正極板，大大縮短鉛酸電池的使用壽命。筆者針對(duì)以上充電情況，自制了一款簡(jiǎn)易的電動(dòng)車鉛酸電池充電器智能定時(shí)插座，該智能定時(shí)插座能對(duì)充電器最后階段涓電流浮充進(jìn)行定時(shí)，當(dāng)涓電流浮充到達(dá)設(shè)定值后，智能定時(shí)插座自動(dòng)切斷充電器及自身的交流電源，結(jié)束充電，不必再人工斷電。本人將智能定時(shí)插座應(yīng)用于自己森地牌YBC-48L型（14Ah）充電器，深感方便。隨后相繼給許多親戚朋友的充電器也設(shè)計(jì)制作了同樣的定時(shí)插座，通過(guò)使用，大家都覺(jué)得既延長(zhǎng)鉛酸電池的使用壽命，也免除了天天人工斷電之苦。

　　一、智能定時(shí)插座如何工作

　　智能定時(shí)插座的電路見(jiàn)圖1，共由交流電源開(kāi)關(guān)、電磁脫鉤線圈驅(qū)動(dòng)電路、定時(shí)電路、直流電源電路4部分組成。將該電路插上電源插頭，按下交流電源開(kāi)關(guān)S1按鈕，接通220V交流電源即可開(kāi)始工作。220V交流電源一路經(jīng)14V電源變壓器T降壓、橋式整流電路整流、濾波電容 C1濾波、三端穩(wěn)壓集成電路IC1穩(wěn)壓、濾波電容C2濾波產(chǎn)生穩(wěn)定的+12V直流電源，該+12V分三路輸出：（1）經(jīng)R4加到LED2作+12V直流電源工作指示。（2）經(jīng)R3、VD2、LED3串聯(lián)穩(wěn)壓后經(jīng)C3濾波加到穩(wěn)壓調(diào)整管VT4基極，使VT4將+12V穩(wěn)壓為2.1V，由VT4發(fā)射極輸出，該 2.1V經(jīng)C4濾波后加到石英小鬧鐘電源正負(fù)極為其提供直流電源（提示一點(diǎn)：2.1V高了些，石英小鬧鐘走時(shí)稍快一些，定時(shí)值按4~5小時(shí)即可）。（3）加到開(kāi)關(guān)S1的電磁脫鉤線圈上。

　　220V交流電源另一路經(jīng)定時(shí)插座加到充電器，當(dāng)充電器還未轉(zhuǎn)入浮充充電狀態(tài)時(shí)，充電器的紅燈LED1得電發(fā)光，LED1兩端的2V電壓經(jīng)插頭 P1、插孔J1、電阻R2加到VT3基極，VT3飽和導(dǎo)通，將2.1V穩(wěn)壓調(diào)整管VT4基極短路到地，穩(wěn)壓調(diào)整管VT4截止，石英小鬧鐘無(wú)直流電源供給而不工作，當(dāng)充電器轉(zhuǎn)入涓電流浮充充電階段時(shí)，充電器紅色二極管LED1兩端變?yōu)榱汶妷合纾ǔ潆娖骶G色二極管則發(fā)光），此時(shí)VT3也因基極零電壓而截止，電源調(diào)整管VT4正常導(dǎo)通，輸出2.1V直流電源，石英小鬧鐘得電開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)計(jì)時(shí)到預(yù)先設(shè)定值時(shí)，石英小鬧鐘輸出低電平音頻脈沖訊響信號(hào)，該低電平音頻脈沖信號(hào)通過(guò)VT2放大整流經(jīng)電容C5濾波輸出一直流電壓，使VT1飽和導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)S1電磁脫鉤線圈得電產(chǎn)生磁力，使開(kāi)關(guān)按鈕脫鉤跳開(kāi)，斷開(kāi)交流電源，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)結(jié)束充電。

　　二、元件選擇

　　元件選擇如電路原理圖上的標(biāo)注：VT1、VT3、VT4 選用S8050 型三極管，VT2 選用S8550 型三極管，IC1選用LM7812，VD1 選用IN4148 型二極管，VD2～D6選用IN4007型二極管，LED1、 LED2選用普通紅色發(fā)光二極管，LED3 選用普通綠色發(fā)光二極管，R1選用2kΩ 普通電阻，R2 選用10kΩ普通電阻，R3、R4 選用1kΩ 普通電阻，開(kāi)關(guān)S1 選用KDC-A01-06Y 型的，P1和J1 分別選用普通單聲道耳機(jī)插頭、插孔。變壓器T 選用3W/14V 電源變壓器， C1 選用1000μF/25V 電解電容，C2、C3、C4 選470μF/25V電解電容， C5 選用47μF/25V 電解電容。實(shí)物如圖2所示。焊好的電路見(jiàn)圖3。

　　三、智能定時(shí)插座的安裝與使用說(shuō)明

　　筆者利用萬(wàn)能印制板來(lái)焊接本定時(shí)插座電路，安裝時(shí)注意，一定要將石英小鬧鐘內(nèi)的小揚(yáng)聲器拆除，小揚(yáng)聲器正極所接位置接三極管VT2發(fā)射極，小揚(yáng)聲器負(fù)極所接位置接三極管VT2基極，引線見(jiàn)圖4。本人焊接成的定時(shí)插座電路與充電器連接如圖5所示。

　　在充電前，先將定時(shí)值設(shè)好，將充電器控制信號(hào)輸出插頭P1和定時(shí)控制信號(hào)引入插孔J1連接好，充電器與蓄電瓶連好，插好交流電源插頭，最后按下開(kāi)關(guān)S1按鈕，智能定時(shí)插座會(huì)自動(dòng)在充電器轉(zhuǎn)入浮充充電狀態(tài)時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，并在定時(shí)值達(dá)到時(shí)結(jié)束充電。當(dāng)充電器因蓄電瓶出問(wèn)題（比如過(guò)度失水）而無(wú)法轉(zhuǎn)入浮充充電狀態(tài)時(shí)，將充電器插頭P1和定時(shí)插座間的插孔J1斷開(kāi)，定時(shí)插座則通電開(kāi)始計(jì)時(shí)， 當(dāng)定時(shí)值達(dá)到時(shí)自動(dòng)結(jié)束充電。