基于四线法蓄电池纯阻抗的检测

摘 要：研究表明，蓄电池的内阻已经是评价蓄电池性能的重要指标之一，但内阻的构成是比较复杂的。本文利用四线测试法对其纯阻性部分电阻进行测量，进而评判蓄电池的好坏，此方法在一定程度上对蓄电池行业的发展具有推动作用。

关键词：蓄电池；内阻；四线法

中图分类号：TM912；TM934.1

蓄电池应用领域广泛，是实现化学能与电能之间转化的一种复杂装置。由于是密封的，不同型号和规格的性能不同，检测方法也多样化。密封的蓄电池就好比是一个“黑箱”，检测时不一定知道其内部的详细构造。常用的检测方法有：密度法、开路电压法、放电法、内阻法。研究表明，蓄电池的内阻测量法是检测蓄电池性能可靠的方法之一。密封蓄电池的内阻包含了欧姆内阻、浓差极化内阻、电化学反应内阻以及双层电容充电时的干扰作用。由于在测试过程中引线电阻和接触电阻的影响，会造成测量误差很大。与交流注入法测内阻不同，本文就基于常用的四线法给蓄电池注入直流电流来检测蓄电池的纯阻性内阻，可减小误差 [1]。

1 蓄电池内阻等效模型

蓄电池内阻包含欧姆电阻和极化内阻。欧姆电阻：电极材料、电解液、隔膜的电阻；极化内阻：正负极化学反应时的电阻。我们可以将蓄电池的内阻等效为如下电路结构[2]，既包含纯阻性电阻，又包含容性阻抗和感性阻抗。如图1所示。

图1 蓄电池内阻等效模型

其中L1、L2为电池两端的电感阻抗，Ra、Rc是由电极离子迁移产生的电阻，Ca、Cb是电极电容，Rb、Rd是电极离子在电解液扩散速度决定，Rf为欧姆电阻。由于直流电流在流过电感时相当于“短路”，流过电容时相当于“断路”，我们可以将直流条件下的蓄电池阻抗等效为Rx，Rx为纯阻性电阻。因此，利用蓄电池内阻等效电路通过直流电流时的特性可以检测出其纯阻性部分电阻的大小进而判断蓄电池的好坏，这与交流注入法测试明显不同。

2 电路分析与原理框图

温度对蓄电池的内阻影响很大，低温状态如0℃以下，温度每下降10℃，内阻约增大15%；温度较高时，10℃以上时硫酸离子的扩散速率提高了浓度极化作用将明显减小，极化电阻下降，但导体电阻随温度增加而上升。所以在进行纯电阻测试时，我们要保持蓄电池所处的温度恒定，减小温度对内阻的影响。将蓄电池抽象化，即直流条件下将蓄电池内阻进行等效变换。由此，得出本设计的基本原理是在等效电阻Rx上通过一恒定已知的10mA电流源，利用电容“断路”和电感“短路”来测出纯阻性电阻的压降，经过仪表放大器INA102对采集到的微弱电压信号进行放大后转换为直流电压，利用带有模数转换器的ICL7106的3位半数字电压表头对测得的阻值显示读数，原理框图如下。

图2 四线法测试原理框图

如上图所示1和2接10mA恒流源输出端，3和4接仪表放大器的输入端，测量时用四根导线与被测蓄电池等效纯阻性电阻Rx连接。Rx两端的电压经仪表放大器放大后送入数字电压表进行显示。

3 关键电路设计

3.1 恒流源设计[3]

图3 恒流源电路设计

本电路中采用三端可调稳压器LM317与电阻构成高精度恒流源。LM317的基准电压为1.25V。电压U0的表达式为：U0=1.25×（1+Rx/125）+50×0.0000006×Rx，由于蓄电池纯阻性阻抗Rx非常小，第二项取值很小可忽略不计。由欧姆定律：I=U/R，U=U0=1.25，滑动变阻器R=R5=125Ω，可得恒利源电流为10mA。对于恒流源可以采用9v供电，输出恒定电流为10mA。

3.2 仪表放大器

在测量系统中，通常被测物理量均通过传感器转换为电信号，然后进行放大。蓄电池纯阻性内阻比较小，为了提高精度和线性度，在此电路中必须采用精度较高的放大器，误差越小越好，为此选用了型号为INA102的集成仪表放大器，内部结构如下图。

图4 型号为INA102的集成仪表放大器

INA102的输入电阻可达10000MΩ，共模抑制比为100dB，输出电阻为0.1Ω，小信号带宽为300KHz；当电源电压±15V时，最大共模输入电压为±12.5V，具有1，10，100，1000四种增益情况。电路连接时集成运放的输入端接Rx两端，对微弱电压信号进行放大。

4 测试结果判断

在对0.8AH、12V的铅酸蓄电池进行纯阻性内阻测试时，选用仪表放大器的增益为100的档位，经过数字万用表的转换处理后可得到以下测试结果。排除温度对蓄电池内阻的影响，在误差范围内，由于容抗和感抗的存在，此测试结果要小于蓄电池内阻标准值。

测量电阻值小于实际阻值，这也是意料之中的，蓄电池纯电阻部分占标准内阻值的比重大，说明稳定性好，受温度电解液等其它因素影响小。若比重太大，则性能不够稳定。

5 结束语

本文通过巧妙设计10mA直流电流源，利用电感和电容在直流电流条件下“短路”和“断路”的特性设计了蓄电池纯阻性内阻的测试方法。这对于蓄电池性能的检测提供了新思维，必将为蓄电池行业的发展做出贡献。

参考文献：

[1]朱松然.铅蓄电池技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2]李立伟.蓄电池内阻测量装置的研究[J].电源技术，2003.

[3]华成英.模拟电子技术[M].北京：高等教育出版社，2005.

[4]江思明.电路工程设计——Protel 99实例演练[M].北京：人民邮电出版社，2009.

作者简介：季国栋（1988-），男，河北大学电子信息工程学院研究生在读，电路与系统专业，研究方向：蓄电池性能的检测；王文理（1955-），男，河北大学教授，研究生导师，研究方向：电力电子，开关电源设计。

推荐访问： 阻抗 蓄电池 检测 四线法

---