（通信与信息系统专业论文）基于混沌理论的蓄电池内阻检测的研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文根据d u f f i n g 混沌振子检测微弱信号的原理结合交流阻抗法检测蓄电池内 阻的原理，研究了一种基于混沌理论的蓄电池内阻在线检测的方法。该方法能够减 少抗干扰电路的设计，简化测量的电路，在蓄电池内阻的在线检测方面具有重要的 意义。根据该方法本文设计了具体的实现电路，并通过实验分析了所测得的内阻数 据及其变化趋势，证明了在检测微弱信号上混沌振子检测的抗干扰性能比传统的 f f t 算法具有明显的优势。最后本文运用b p 神经网络设计了蓄电池剩余容量预测系 统，方便快捷的实现了对剩余容量的预测，通过对实验结果的分析，说明了蓄电池 内阻对剩余容量的影响。 关键词：混沌振子，蓄电池内阻，在线检测，神经网络，剩余电量 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ed u f f i n gc h a o t i co s c i l l a t o rt od e t e c t w e a ks i g n a la n dt h et h e o r yo fa ci n t e r n a li m p e d a n c ed e t e c t i o nt h e o r y , t h em e t h o do f i n t e r n a li m p e d a n c eb a s e do nc h a o t i ct h e o r yo n l i n em e a s u r e m e n ti ss t u d i e d i tc a n r e d u c et h ed e s i g no fa n t i i n t e r f e r e n c ec i r c u i ta n dt h em e a s u r i n gc i r c u i ti ss i m p l i f i e d s o i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e si na c h i e v ei n t e r n a li m p e d a n c eo n - l i n em e a s u r i n g t h e c o n c r e t e l yc i r c u i ti sd e s i g e db a s e do nt h i sm e t h o d t h ei n t e r n a li m p e d a n c ed a t ao f b a t t e r ya n dt h et r e n do fi t sc h a n g ea r ea n a l y z e db ye x p e r i m e n t i ti sp r o v e dt h a t ，i nt h e d e t e c t i o no fw e a ks i g n a l ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c eo fc h a o t i co s c i l l a t o rm e t h o d h a sm o r ea d v a n t a g et h a nt r a d i t i o n a lf f ta l g o r i t h mb yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a tl a s t ， t h ep r e d i c t i o ns y s t e mo fb a t t e r i e si sd e s i g n e db ya p p l y i n gb pn e u r a ln e t w o r k ，t h e r e s i d u a lc a p a c i t yc a nb ec o n v e n i e n t l ya n df a s t l ya c h i e v e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h e i n t e r n a li m p e d a n c eo nt h er e s i d u a lc a p a c i t yi ss h o w e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s u ny u e ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f y i nc h e n g q u n & i n s t r u c t o rh u a n gy i r a n k e yw o r d s ：c h a o t i co s c i l l a t o li n t e r n a li m p e d a n c eo fb a t t e r y , o n - l i n ed e t e c t i o n ， n e u r a ln e t w o r k , r e s i d u a lc a p a c i t y 华北电力大学硕十学位论文摘要 摘要 本文根据d u f f i n g 混沌振子检测微弱信号的原理结合交流阻抗法检测蓄电池内 阻的原理，研究了一种基于混沌理论的蓄电池内阻在线检测的方法。该方法能够减 少抗干扰电路的设计，简化测量的电路，在蓄电池内阻的在线检测方面具有重要的 意义。根据该方法本文设计了具体的实现电路，并通过实验分析了所测得的内阻数 据及其变化趋势，证明了在检测微弱信号上混沌振子检测的抗干扰性能比传统的 f f t 算法具有明显的优势。最后本文运用b p 神经网络设计了蓄电池剩余容量预测系 统，方便快捷的实现了对剩余容量的预测，通过对实验结果的分析，说明了蓄电池 内阻对剩余容量的影响。 关键词：混沌振子，蓄电池内阻，在线检测，神经网络，剩余电量 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo ft h ed u f f i n gc h a o t i co s c i l l a t o rt od e t e c t w e a ks i g n a la n dt h et h e o r yo fa ci n t e r n a li m p e d a n c ed e t e c t i o nt h e o r y , t h em e t h o do f i n t e r n a li m p e d a n c eb a s e do nc h a o t i ct h e o r yo n l i n em e a s u r e m e n ti ss t u d i e d i tc a n r e d u c et h ed e s i g no fa n t i i n t e r f e r e n c ec i r c u i ta n dt h em e a s u r i n gc i r c u i ti ss i m p l i f i e d s o i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e si na c h i e v ei n t e r n a li m p e d a n c eo n - l i n em e a s u r i n g t h e c o n c r e t e l yc i r c u i ti sd e s i g e db a s e do nt h i sm e t h o d t h ei n t e r n a li m p e d a n c ed a t ao f b a t t e r ya n dt h et r e n do fi t sc h a n g ea l ea n a l y z e db ye x p e r i m e n t i ti sp r o v e dt h a t ，i nt h e d e t e c t i o no fw e a ks i g n a l ，t h ea n t i i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c eo fc h a o t i co s c i l l a t o rm e t h o d h a sm o r ea d v a n t a g et h a nt r a d i t i o n a lf f ta l g o r i t h mb yt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a tl a s t ， t h ep r e d i c t i o ns y s t e mo fb a t t e r i e si s d e s i g n e db ya p p l y i n gb pn e u r a ln e t w o r k ，t h e r e s i d u a lc a p a c i t yc a nb ec o n v e n i e n t l ya n df a s t l ya c h i e v e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h e i n t e r n a li m p e d a n c eo nt h er e s i d u a lc a p a c i t yi ss h o w e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s s u ny u e ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s ) d i r e c t e db yp r o f y i nc h e n g q u n & i n s t r u c t o rh u a n gy i r a n k e yw o r d s ：c h a o t i co s c i l l a t o bi n t e r n a li m p e d a n c eo fb a t t e r y , o n - l i n ed e t e c t i o n ， n e u r a ln e t w o r k , r e s i d u a lc a p a c i t y p 士= l明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于混沌理论的蓄电池内阻检测的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：砼! 选 日 期：型皇：墨：p 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 砼! 瞳 e t 期：巡：三：i 导师签名： 华北电力人学硕十学位论文 1 1 本课题的选题意义 第一章引言 蓄电池是直流系统的基本组成部分，是重要的储能设备，是通信系统不问断运 行的保证，蓄电池运行状态是否正常，直接影响着应用领域中各种设备的正常、可 靠和安全运行。 i n t e l e c 是国际著名的电信电源技术年会，从1 9 9 5 年后，年会中讨论蓄电池运 行与监测的论文激增，表明蓄电池的运行维护是国际电信行业的重要问题之一。蓄 电池的在线监测就是一个研究、开发的热点1 1 , 2 1 。 蓄电池监测主要在两个方面：实时掌握蓄电池的健康状态每只蓄电池的老化 情况；蓄电池的剩余容量某- n 市电中断，蓄电池能够支撑的工作时间。 对蓄电池的剩余容量和健康状态预测的越准确，则系统的可靠性越高。因此， 如何在既不消耗蓄电池的能量又不影响用电设备讵常工作的情况下，实时地在线检 测蓄电池剩余容量、评估蓄电池的状态，对保证蓄电池供电稳定和延长蓄电池的使 用寿命有着重要的意义。 蓄电池的内阻与其剩余容量和健康状念都有着极为密切的关系。无论是蓄电池即将 失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此对蓄电池内阻 的测量成为了近年来研究的热点。目前常见的内阻测量方法有：密度法、丌路电压法、 直流放电法和交流阻抗法1 3 l 。使用交流阻抗法检测蓄电池内阻的优点在于测量过程 中不需要对蓄电池进行放电，可以方便的进行反复测量。但是由于馈入信号的幅值 有限，蓄电池的内阻较微弱，产生的响应信号的幅值也较小，易受到干扰，尤其是 在线测量时干扰更大，因此使用这种方法进行检测的抗干扰能力较差，需要设计抗 干扰电路，来消除电源纹波和其它噪声源的影响。 随着近些年对混沌理论的研究同趋深入和成熟，已经有学者将混沌理论成功地引入 到信号检测领域1 4 l 混沌系统具有对微弱信号极端敏感性和强的抗干扰性1 5 】。混沌控制 方法的共同点是利用与时i 仃j 有关的连续小微扰来实现对混沌的稳定控制，小微扰其中引 起的抗混沌效应是对混沌的一种持久控制因素，应当看到，扰动或噪声所起的重要作用 乃是值得注意的一种普适效应。利用混沌振子检测微弱信号就是将待测信号作为混沌系 统周期策动力的摄动，噪声虽然强烈，但对系统状态的改变没有影响，而一旦有特定的 信号，由于混沌系统对周期小信号的敏感性，即使幅值较小，也会使系统发生相变。因 此本文研究了一种基于混沌理论的蓄电池内阻检测的方法。运用d u f f i n g h o m e s 混沌振 子系统对特定的小信号敏感和对噪声具有免疫性的特点，结合交流阻抗法束实现蓄电池 华北电力人学硕十学仲论文 的在线检测，减少了抗干扰电路的设计，简化了测量电路。 神经网络是借鉴于生物神经网络而发展起来的新型智能信息处理系统，由于其结构 上“仿造”了人脑的生物神经系统，其功能上也具有了某种智能特点。因此，神经网络 的智能信息处理特征与能力使其应用领域同益扩大，潜力同趋明显。许多用传统信息处 理方法无法解决的问题采用神经网络后取得了良好的效果。所以，神经网络在各个领域 的应用成为了当今研究的一个热点。 随着计算机科学、生物神经科学、医学、系统理论、大规模集成电路的巨大进 步，使用电子元器件、数字化方法、逻辑算法组合实现复杂的人脑模型成为可能， 这大大的促进了神经网络的研究和应用。神经网络具有能够逼近任意非线性函数、 信息的并行分御式处理与存储、可以多输入及多输出、便于超大规模集成电路实现， 或用现有的计算机技术实现、能进行学习训练以适应环境的变化等功能，因此运用 神经网络来实现蓄电池剩余容量的预测能够较为准确的进行预测，能够方便的进行 仿真研究。 本课题正是在这一背景下丌展研究了一种基于混沌理论的蓄电池内阻检测的方法， 并基于b p 神经网络设计了蓄电池剩余容量的预测系统。本课题的研究丌辟了混沌理论 新的应用领域，尝试将科学理论和工程应用进行有效的结合，一方面丰富了蓄电池内阻 检测的理论，为本领域内的研究工作者提供参考；另一方面，为混沌理论实际的应用提 供了新的思路。 1 2 本课题研究的国内外发展及现状 近年来，国内多家机构及研究者对蓄电池内阻检测都做出了较为突出的贡献，高 明裕、桂长清等研究工作者对蓄电池内阻检测方面进行了一些的理论研究1 6 】，山东烟台 东方电子公司的夏勇等提出了锁相放大技术，华东交通大学电子与电气工程学院的刘百 芬等提出了检相处理技术1 7 1 【3 1 。成都辉途科技有限公司、西安安创科技有限公司分别制 作了各自的内阻测试仪，制作了a c x d 3 0 0 系列的内阻测试仪。阿城继电器股份有限公 司电源系统公司的王秀菊提出了运用数字滤波的方法来实现蓄电池内阻的检测p j 。 国外对蓄电池内阻检测系统的研究较早，技术相对比较成熟，2 0 0 1 年的i n t e l e c 会议上，c h a m p l i n 博士提出了d f i s ( d i s c r e t ef r e q u e n c yl m m i t a n c es p e c t r o s c o p y ) 方法， 这种技术是采用将三个不同频率的的交流小电流注入蓄电池后，得到电池的交流阻抗在 这些频率下的响应。些专家在新测试技术的基础上，再对测得的数据建立一定的数学 统计模型，得到相应得电池性能状念判断，取得了相当好的效果。例如美国的p r i t p a l s i n g h 等在d i f s 技术上提出了交流阻抗的测量与模糊逻辑数据分析的方法相结合来估 计蓄电池的性能的方法i i0 1 。同本的h i o k i 、美国的m i c r oc e l l e r o n 、b t e c h 等公 司的产品，都是用来检测蓄电池的内阻l l 。 2 华北电力人学硕十学位论文 混沌理论用于信号检测作为2 0 世纪9 0 年代刚兴起的一个崭新的研究领域，国外， d o n a l dl b i r x 和s t e p h e nj p i p e n b e r g 等人对混沌振子结合c m f f n s 用于噪声背景下信 号的检测和分类进行了初步的研究1 1 2 l 。c h a n c em g l e n n 和s c o t th a y e s 利用混沌轨迹的 微扰控制实现检测微波系统中的微弱信号【l 引。他们的研究工作比较着重与混沌模型的建 立与混沌信号或混沌噪声背景下的信号的处理。国内，长春大学和吉林大学的聂春燕、 李月、石要武等人利用混沌检测理论来处理薄油气储层中的微弱信号【5 】。并提出在色噪 声背景下n v 级正弦信号、方波信号、周期脉冲信号的混沌测量方案【l5 。 j 及混沌与相关 方法和互相关方法结合的方案【i 引，取得了令人瞩目的成果：华北电力大学的李士林等人 利用混沌检测理论实现了电力系统小电流接地故障选线。西安交通大学的赵向阳等人基 于d u f f f i n g 方程参数敏感性提取了谐振传感器的频率取得了一定的成果【i9 1 。国内的学者 在混沌检测方面取得了大量的成果，大大地提高了混沌检测的可靠性和实时性。 前面所介绍的这些研究中虽然在内阻检测方面取得了一些成就，但是他们研究的技 术或是产品都需要有较复杂的抗干扰电路，增加了设备的复杂程度。同时也可以看出国 内外在混沌振子的研究和应用中都没有关于蓄电池内阻检测中应用混沌振子检测方面 的研究。所以，本课题旨在研究应用混沌振子来实现对蓄电池内阻的检测，来降低 内阻检测电路的复杂程度，为蓄电池内阻检测丌辟了一种新的思路，并做一些探索 性的工作。 1 3 本课题研究内容 本文对蓄电池阻抗检测的各种方法进行了简要的介绍，并在分析蓄电池的一些 特性和混沌振子检测理论的基础上，研究了一种运用d u f f i n g 混沌振子结合交流阻 抗法实现检测蓄电池内阻的方法。该方法能够降低设备的成本，简化测量电路。运 用b p 神经网络方便快捷的实现了对蓄电池剩余容量的预测。 第一章介绍了本课题的研究意义和国内外相关研究的发展情况，第二章介绍了蓄 电池的放电特性，详细介绍了蓄电池的内阻模型、检测内阻的各种方法及其优缺点 和蓄电池容量、影响容量的因素和检测容量常用的方法。 第三章介绍了混沌检测的基本原理，阐述了该方法的原理、给出了本系统的设 计模型及整个系统的软硬件实现步骤。然后运用本系统对不同的铅酸蓄电池内阻进 行了测试以及对在放电过程中的内阻进行了在线测试，给出了测试结果。 第四章设计了神经网络预测蓄电池剩余容量的模型，运用该模型对蓄电池的剩 余容量进行了预测，给出了仿真实验结果。 最后章对本文作出了总结。 3 华北电力人学硕十学位论文 第二章铅酸蓄电池的内阻和容量特性 2 1 铅酸蓄电池的放电特性 铅酸蓄电池的放电和充电的反应过程，是铅酸蓄电池活性物质可逆进行的化学过 程，它们可以用以下化学方程式表示1 4 】： 尸6 0 2 + 2 h 2 s o , + 尸6 尸崛+ 2 2 + p b s o , ( 2 1 ) p b s 0 4 + 2 h 2 + p b s 0 4 j 屿尸6 d 2 + p 6 + 2 h 2 s 0 4 ( 2 - 2 ) 铅酸蓄电池在循环放电和充电过程中，h ，s 0 4 的浓度会逐渐减少。蓄电池的电 压为2 v ，在使用或存放一段时间后，电池的电压可能降到1 8 v 以下，如果电压继 续下降，蓄电池将会损坏。 2 1 1 蓄电池放电时电压特性 充足电的铅酸蓄电池以恒流进行连续放电，其电压变化的特性曲线如图2 1 所 不。 电压 _ j 2o l0 1 8 l 7 l6 o2f各81 0t 2 盯l 司噍) 图2 1 蓄电池放电时端电爪的变化曲线 放电前，蓄电池的端电压即了1 = 路电压等于电池的电动势。放电初期，蓄电池的 端电压急速下降如图中a b 段；而在放电中期，蓄电池的活性物质表面和电解液的 浓度比较稳定，因此其端电压比较稳定如图中的b c 段；到放电未期，蓄电池两极 的活性物质已经大部分转变为了硫酸铅，电解液得不到硫酸的补充，其浓度逐步降 低，因此导致蓄电池的电压迅速下降，如图中c d 段。如果继续放电就会产生所谓 的“过放电”。因此，铅酸蓄电池放电至端电压降低到1 8 v 左右时即应停止放电， 把这个放电截止电压称为放电终止电压。 蓄电池的放电还与放电电流有密切的关系，大电流放电时，蓄电池的电压下降 很明显，平缓部分缩短，曲线的斜率也很大，放电时i 日j 缩短。随着放电电流的减少， 4 华北电力人学硕十学位论文 蓄电池的电压呈下降趋势，曲线也比较平缓，放电时间延长。这种放电特性对蓄电 池的正确使用有着重要的意义。 2 1 2 蓄电池放电时电阻特性 铅酸蓄电池丌始放电时，活性物质表面的硫酸浓度立即下降，而极板外的电解 液是缓慢地向活性物质表面扩散，不能立即补偿活性物质表面的电解液的浓度，随 着放电过程的进行，活性物质表面的电解液的浓度继续下降，在放电阶段，正、负 电极上的活性物质逐渐转变为硫酸铅，而硫酸铅的生成是活性物质空隙率降低，使 活性物质与硫酸的接触更加困难，并且由于硫酸铅是不良导体，所以蓄电池的内阻 增大。因此在蓄电池的放电过程中，极板的硫酸盐化、活性物质的脱落、电解液的 干涸等随着时闯的推移而加剧，这些变化会导致蓄电池容量的减少，同时使蓄电池 的内阻呈现逐渐增加的趋势。 2 2 铅酸蓄电池的内阻及其测量方法 电池内阻是电池老化过程的表征。其老化的过程取决于电池材料和极板在实际 条件下的腐蚀速度。导电通道的缓慢腐蚀，活性物质从板上脱落，栅板变形和电解 液的干涸都是电池寿命终结的原因，老化过程的特征是电池内阻增加和容量的减 少。因此内阻的变化能够明确的表征电池的健康状况。所以对蓄电池内阻的研究具 有重要的意义。 2 2 1 蓄电池内阻经典模型 蓄电池的经典模型如图2 2 所示。根据电流传导路径的不同，将电阻分为金属 电阻和电化学电阻两大部分，图中金属电阻包括：极卡t 电阻、汇流排、板栅、电极隔 膜、板栅与涂膏问电阻。电化学电阻：极化电阻，电解液电阻，薄膜。电感包括： 导线，极柱以及结构体上所引起的所有电感。在大多数应用场合，电感对电池的工 作没有实际的影响，因为其数值很小( 0 0 5 0 2 m h ) 。而另一方面，电池的电容却非 常大，高达1 7 f 1 0 0 a h 。因此在实际研究中往i 把电感的影响不做考虑。由此有 蓄电池的优化的电池模型( 如图2 3 所示) 。 0 华北电力人学硕十学f i 7 ：论文 气电全, 矾1 i l 叠骸媛 “咆m 一曩 l 写电田 ： 图2 - 2 誉电池经典模型图2 - 3 简化筹电池模型 2 2 2 蓄电池内阻的测量方法 1 直流放电法 池电 氍 直流放电法是在电压巡检的基础上加上直流放电测量蓄电池的内阻。原理是将蓄电 池处于静念或是脱机状态，通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬i b j 电压降， 通过欧姆定律计算出电池内阻。在电池两端接入放电负载，测量电压的变化( u 1 u 2 ) 和电流值( i ) 计算电池的内阻( r ) 。 r ：竺! 二坠 l ( 2 3 ) 这种方法的主要缺点是：必须在静念或是脱机的状念下才能实现直流法的测量， 无法真正实现蓄电池的在线检测，这样就不可避免对设备运行安全性带来隐患：如 果是静态，如此大的电流是否对直流系统产生影响还不得而知；在脱机状态下，如 果测量时问较长，系统的安全隐患就会更大。由于大电流放电，有的甚至达到上百安 培的放电电流，会对蓄电池造成伤害。 2 密度法 ， 密度法主要是通过测最蓄电池电解液的密度柬估算蓄电池的内阻，常用于丌口式铅 酸蓄电池的内阻测量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量。该方法的适用范围窄。 3 丌路电压法 开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻，精度很差，甚至得出 错误的结论。因为即使一个容量已变得很小的蓄电池，而在浮充的状态下其端电压仍可 能表现得很币常。 4 交流法 6 华北电力人学硕十学何论文 首先要蓄电池上加一个交流测试信号，该信号频率选择应保证测量过程不受电 容的影响，然后测量流过蓄电池的电流和蓄电池两端产生的交流电压，并根据测试 数据计算出蓄电池的内部阻抗。测量原理为当使用受控电流注入电池两端时， = ，一s i n ( 2 n f i ) ，产生的电压响应为： a v = s i n ( 2 a y t + 9 ) ( 2 4 ) 蓄电池的阻抗为： z u ) = 等p ，妒 ( 2 5 ) 即阻抗是与频率有关的复阻抗，其模为l z l = 争坠，相角为伊。 m 戤 简化式( 2 - 5 ) 得： 尺：生(2-6) l 。 式中：v 。v 为检测到的电压信号的幅值 i 。，为馈入电流信号的幅值 交流检测法的优点是测量过程中不需要对蓄电池进行放电，可以方便地反复测量。 但交流检测法的抗干扰能力差，容易受到外界噪声源的影响，蓄电池的内阻也会随着频 率的变化而变化，因此交流测试信号的频率选择非常重要。另外还需要采用噪声滤波器 以消除电源纹波和其它噪声源的影响。 尽管交流法测试蓄电池内阻的方法已经被定为圈际标准，事实上交流测试法还存在 如下的问题【1 0 】： ( 1 ) 对于蓄电池的好坏程度，还不能提供准确的数据依据；不足以准确地测算出 蓄电池的实际性能指标，尤其是容量指标；不能判断容量5 0 以上的蓄电池的好坏，不 能达到国标的要求。根据国家有关电源维护规程以及蓄电池维护效果要求，蓄电池容量 达不到8 0 便应整组淘汰。 ( 2 ) 测试中存在着影响内阻的因素 除了电池结构和容量、电解液浓度、温度等共性影响因素以外，尚有以下特殊因素： 交流信号频率 纯欧姆内阻值是不会凶测量信号的频率小同而改变的。但用交流法测得的电池内阻 值会因交流信号频率而改变，即测得的内阻值f ，不是简单的欧姆内阻，而是受到浓差极 化干扰后的内阻抗。 7 华北电力人学硕十学位论文 交流信号幅度 交流阻抗测试原理中，假设电极处于平衡电位状态并且所加的交流电压幅度只有数 毫伏，这样才可以保持电压与电流之间的正比关系。简化了数学推演工作。但用交流法 在线测量电池内阻时，电池的币负极电位早已偏离平衡电位，测得的内阻值必然会随着 交流信号幅度而变。 电池的工作状念 电池在充电或放电时，流过电池的直流电流方向是相反的，再加上此时的电极电位 已偏离平衡电位，并且诈负极体系的交换电流密度相差近一个数量极，因而电池处于充 电状态测得的内阻值就跟放电状态有所不同。 接触电阻 密封铅酸蓄电池的内阻一般处于所q 级，大容量电池的内阻更小。然而测量导线跟 电池极柱之间的接触电阻也处在同样的数量级，尤其是当极柱上出现氧化层或其他腐蚀 层时，接触电阻的干扰就会更大。 蓄电池的内阻不但随电池的工作状态和环境条件而变，而且还因测试方法和测试持 续时间而异。究其实质是因为蓄电池的内阻包括着复杂的而且是变化着的成分。 2 3 铅酸蓄电池的容量及其检测方法 2 3 1 蓄电池的容量 铅酸蓄电池的容量就是其蓄电的能力，是蓄电池最重要的性能之一，通常用充 足电的铅酸蓄电池在一定的放电条件下，放电至蓄电池的端电压达到规定的放电终 止电压时，可以用蓄电池中获得的总电量来表示，其单位为安时( a h ) 。 如果铅酸蓄电池恒流放电，即放电电流为一恒定值，它的容量为放电电流与放 电时间的乘积，即： 巳枷= ，t ( 2 7 ) 式中：c 么曲为蓄电池的放电容量( a h ) ；i 为放电电流( a ) ：t 为放电时问( h ) 。 如果放电电流随着放电时问不断变化，则铅酸蓄电池的容量要通过积分末计算，即： 曲2i i d t ( 2 - 8 ) 式中：i 为放电电流( a ) ：t 为放电时f j ( h ) 。 蓄电池在充电时，其充入的容量可按下式计算 c 曲= c h r e f f i i d t ( 2 9 ) 8 华北电力人学硕十学何论文 式中：c 曲为铅酸蓄电池的充电容量( a h ) ；i 为充电电流( a ) ；t 为充电时问；c h r c f f 为蓄电池的充电系数。 由于铅酸蓄电池的容量不是固定不变的值。它一方面由电池的制造质量决定， 如电池中各种活性物质的数量与配方、极板的结构形式等都与容量的大小直接相 关：另一方面蓄电池的剩余容量受到温度、放电电流、充电、电池退化等多种因素 的影响，使得对于剩余容量的估计十分困难。当电池放电时，以下的一些因素将会 给电池的实际剩余容量带来主要影响【j 。 1 放电电流 在不同的放电电流下，蓄电池的起始端电压和截止端电压都是不同的。其中放 电电流越大，则起始端电压和截止端电压越小、放电容量也越小，反之则都变大。 2 放电截止电压 放电截止电压指当电池放电，电池的电压降到某点时，如继续放电电池电压会 急剧下降，若持续放电会对电池造成损害。 3 温度 温度对蓄电池的剩余容量的影响也比较突出，蓄电池的容量及活性物质利用率 随着温度的增加而增加，主要由电解液性能的变化而引起。其温度的增加而电解液 的黏度减小，活性增大，使离子的运动能力增加，扩散能力也增强，活性的增大， 是活性物质的利用率提高，实际容量必然增大。反之则下降。通常，在2 0 4 0 摄氏 度下可获得最好的电流放电特性，温度过高也不好。 4 蓄电池的老化 蓄电池在使用一段时i 、日j 后，它的额定容量会有一定的变化，一丌始会有所增加， 大约增幅在5 - 2 0 ，接下来的一段时问，电池的容量维持不变。然后其容量会逐步 减少，当电池的容量达到额定容量的8 0 时，可以认为电池的寿命结束。 5 电池的不均衡性 指电池单元之间的质量不同，所造成的容量的差异，在一组电池单元中，所能 放出的容量，将由实际容最最小的电池单元决定。这就是所说的“水桶效应”。 6 设计参数的影响 包括板栅的结构、厚度、材料等，电池的内部粕局，极板的表面积，空隙率等， 特别是电池的电解液浓度对蓄电池的容量有巨大的影响。 2 3 2 蓄电池剩余容量的检测方法 由于影响蓄电池剩余容量的因素有很多，因而，在进行蓄电池容量预测时，方 法也各种各样。一般蓄电池剩余容量的检测方法有： 9 华北电力人学硕+ 学位论文 1 密度法 蓄电池的蓄电池剩余电量和其内部电解液密度密切相关。其电解液密度由硫酸铅、 氧化铅和铅三者决定。通过测量电解液的密度值，可间接推算其剩余电量。但在电池使 用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例跟电池制造时的配制比例发 生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。另外，密度法不适合目前正在 大量使用的密封式蓄电池。 2 丌路电压法 即通过检测丌路电压柬得到剩余容量的大小。其缺点在于充放电进行的过程中开 路电压是无法检测到的。另外虽然这种方法能够直接得到剩余容量的百分比数，但是随 着电池老化、剩余电量下降时，丌路电压变化不明显，因此也就无法准确预测剩余电量。 而开路电压是电池无载时的稳态电压，因此只能在电池静置时方可测量，不适合实时在 线测量。 3 恢复效应法1 2 】 在电池容量监测的研究中，恢复效应始终被视为阻碍容量监测的不利因素。电池从 负载状态过渡到无负载的丌路状态，随着时f o j 的延长，其电压呈现出随时阳j 的指数关系 上升，其上升速度渐慢，需要较长的时间才能达到稳定。这种方法在铅酸蓄电池的使用 初期比较准确，但是由于在不同的放电电流下、不同的环境温度下容量是不一样的，而 这种方法没有考虑到这些因素。 4 内阻法 即通过计算铅酸电池的内阻来推算剩余容量。但是这种方法实现比较困难，因 为电池的工作条件对电池的内阻影响很大，内阻的计算需要考虑电动势的大小、端 电压、放电电流值。另外在放电的初期，内阻随放电率的变化并不明显。并且内阻 和蓄电池的容量没有严格的数学关系。 5 放电法 通过对蓄电池施加一负载，计算单位时问内的电池端电压变化率，根据变化率的大 小推算剩余电量。变化量小意味着剩余电量大，否则反之。为了缩短测量时间，需要对 蓄电池大电流放电，而大电流放电对蓄电池将会产生严重损伤，影响电池的使用寿命。 另外，此方法也不适合在线测量。 6 安时法 这种方法基于的原理较为简单，它将电池视为一个密闭的对象系统，并不去研 究相对而言较为复杂的电化学反应及电池内部各参数之l 日j 的关系，而是着眼于该系 统的外部特征，在电量监测中着眼于进出电池这一密闭系统的电量。该方法采用积 分实时测量充入电池和从电池放出的能量，对电池的电量进行长时问的记录和监 1 0 华北电力人学硕十学位论文 测，从而能够给出电池任意时刻的剩余电量。该方法较日i 述的几种方法而言，实现 起来较简单，受电池本身情况的限制小。但是安时法没有从电池内部解决电量与电 池状念的关系，而只是从外部记录进出电池的能量，不可避免的使电量的计量可能 因为电池状态的变化而失去精确度，比如电池温度、老化因素的影响等。 2 4 小结 本章介绍了蓄电池的工作原理，并论述了容量、内阻等主要参数及其测量或计 算方法，着重介绍了蓄电池的内阻、容量及它们的测量方法，并对交流法和直流放 电法进行了详细分析和研究，说明了交流方法和直流方法的优缺点。本文中所采用 的内阻测量方法是交流法。 华北电力人学硕十学位论文 第三章基于混沌理论的蓄电池内阻检测 在线测量蓄电池内阻是蓄电池监测的难题之一，运用交流阻抗法检测蓄电池内 阻的优点在于测量过程中不需要对蓄电池进行放电，可以方便的进行反复测量，完 全实现在线检测，避免了对设备运行安全性的影响。但是由于施加的低频电流信号 的幅值较低，蓄电池的内阻较微弱，产生的响应信号的幅值也较低，易受到干扰， 尤其是在线测量时干扰更大，因此使用这种方法进行检测的抗干扰能力较差，需要 设计抗干扰电路，来消除电源纹波和其它噪声源的影响。 本课题中采用了混沌检测技术来简化测量硬件电路的设计。传统的内阻检测电 路需要抗干扰电路的设计，而混沌振子的优点就在于对初始值敏感，对噪声具有很 强的抑制作用，因此本文应用混沌振子对噪声强的抑制作用结合交流法来实现对蓄 电池内阻的在线检测，减少抗干扰电路的设计，简化测量电路，使蓄电池内阻检测 电路具有较小的体积、较低的制作成本。 3 1 混沌振子检测的原理 混沌现象是非线性动力学系统所特有的一种运动形式，它是既普遍存在又有极 其复杂的线性。混沌模糊了确定性运动和随机运动的界限，它具有不可重复行，局 部不稳定而整体稳定，对初值具有强的敏感性等性质【l2 1 。混沌的存在，不仅与系统 的非线性特性( 非线性方程的形式) 有关，而且还与方程中的参数数值有关，因此 混沌的存在往往与非线性系统的分叉联系【i 引。这就为利用混沌系统的参数敏感性来 检测信号提供了理论依据。 3 1 1d u f fin g 混沌振子 能够产生奇异吸引子的动力学系统很多，其中描述软弹簧振子弱阻尼运动的 d u f f i n g 方程是非线性系统中研究比较充分的数学模型2 3 l ，也是较早被引入信号检 测领域中混沌模型【2 引。因此本课题主要基于d u f f i n g 振子展丌研究。d u f f i n g 方程是 一个借助外部激励能够产生周期运动和混沌运动形式的二阶微分方程。 h o l m e s 型d u f f i n g 方程研究最为充分的混沌系统模型之一，它的标准形式如下： 5 + d ：一x + x 3 = c o s ( 纠) + 乃 ( 3 1 ) 其中f c o s ( t ) 为周期策动力，k 为阻尼比，一x + x 3 非线性回复力。嚣为噪声。在 k 固定的情况下( 这罩取k ：o 5 ) ，系统状念随厂的变化出现有规律的变化【2 3 】1 2 6 - 2 7 1 ： 1 当f = 0 时，可以求出相平面上的三个奇点：分别是鞍点( 0 ，0 ) ，焦点( l ，0 ) ， 根据初始状态的不同，点( x ，膏) 最终运动结果是停在鞍点或两焦点之一。 l2 2 当f 0 时系统我现复杂的动力学形奁：与，极小时，线性系统的振荡报j ；! j 它对非线性系统作用也根弱。柑轨迹表现出p o i n c a r 6 映射意义下的吸引子，相点围绕一 个焦点或另外一个焦点作用辫i 振动，相轨逊和第种情况类似；稍许加大，非线性系 统的影响只是使整个系统的这种围绕稳定焦点的振荡晰现分频( 倍周期) 。当f 再加大到 使其幅值超过非线性系统奇点之问的日j 隔时，系统口丁以枉这些奇点之u j 束回跃迁振 荡，从而运动复杂化了，这就 现了混池( 如同3 1 ( a ) ，图3 - 1 ( c ) ) 。当f 进一步加大 线性振予又处于土导地位，非线性系统的影响是次蜇的，般个系统义被锁在外加删期力 的各分频上，相轨迹表现为大尺度心期状态( 如图3 1 ( b ) ，图3 - 1 ( d ) ) 当，再进一步加 大，线性振子完全处于统治地位，非线性系统的作川 廿埘来说极弱，这时整个系统便按 线性系统方式运动，即它被锁n 外加周期山的频率h 这就是| 兑，i i i i 耦合系统在其中之 一( 线性振了) 弱到靛个系统可看作两相对独讧系统，或肯其中之 ( 线性振了) 强到r i 统治地位时，系统都将处于锁频状态。只有两系统慢弱不相上下时，两振荡相互强烈 影响，运动爿复杂化而 j 现混沌。系统从混沌状念进入大尺度周期状忐时策动力幅值的 临界值用，柬表示( 醣临界值称为分义值) ，系统状态的变化过程被用柬进行信号舱测； a ) 混沌状态州蚓( h ) 大尺度周期状忐相幽 c ) 混沌状态x 的波形( d ) 人尺度周期状志x 的波形 h i 混7 七振r 删；l i q 叭的结牛；j 机l 利 国 二iii二iij? 8 iijjjojjjjji? 6 iiiipiijji 栅 删i i 川m i洲i肫 川 川帷 h!忡 2 i o j 2 0 卜 华北电力人学硕十学位论文 3 1 2 混沌检测基本原理 混沌振子用于信号检测的物理机理源于对混沌的控制。混沌控制方法的共同点 是利用与时间有关的连续小微扰来实现对混沌的稳定控制，通过混沌系统状态的变 化就可以得到扰动因素的信息。 利用混沌理论来检测周期信号的原理，一般是根据混沌系统对特定小信号的敏 感性以及对噪声的免疫力的特点，将待测小信号加入混沌系统，然后再根据系统是 否发生相变及相变的程度，来检测信号是否存在及确定其参数( 例如，频率、幅值、 相位等) 【2 引。 令y = j ，方程3 1 变形为： 拈y，、 ( 3 - 2 ) b ：一妙+ x x ，+ 厂c o s 沏) + 嚣 吃 其具体的检测思路为：首先固定k ，调节系统的策动力厂从小变到大时，系统 处于从短周期状态向混沌状态变化，最后运动到大尺度周期状态，得到此时的策动 力乃，然后加入待测信号a c o s ( ) 和噪声，一方面由于混沌系统对小信号的敏感性， 再加入被测小信号后，d u f f i n g 系统发生相位变化，系统进入大尺度周期状态，另 一方面，d u f f i n g 混沌振子系统对噪声具有免疫力，因此噪声不能引起相位的变化。 通过预定步长调节策动力，使系统再一次处于混沌到大尺度周期状态，此时得到策 动力厶，则可以求得待测信号的幅值为口= 厶一无。 3 2 混沌检测蓄电池内阻的原理 d u f f i n g 混沌振子检测源于对混沌的控制，信号的有无以及参数的检测都体现 在“混沌和“周期 两种状态之问的变化。根据第二章所介绍的交流法测量蓄电 池的内阻的原理可知，通过检测出蓄电池两端的响应电压来得到内阻，因此，由混 沌检测原理可知，当混沌系统加入待测的电压信号口c o s ( t 1 时，式( 3 1 ) 可写成为： 膏+ 时一x + x 3 = 彳( ，) ( 3 3 ) 随着k 的增大，由于系统受到的阻尼作用也跟着增大，从而系统进入同样的动力学 形态对激励振幅的要求也增大，表现出系统的分叉值，：，也变得越来越大。k 取不同的值， 系统的分叉值也随之变化。考虑到取较大的k 可以得到较大的策动力的分叉值，它作为 一个强参考信号，有利于提高抗噪性能。因此，我们在实验中取k = 0 5 。但厂，与k 的 比值近似保持为一常数。文献 1 4 计算出该比值的理论值为1 6 - 7 。因此当k = 0 5 时， 分叉值厶= 0 8 2 5 8 3 。山于外加交流恒流源的频率为1 0 0 h z ，则蓄电池两端的响应电压 信号的频率也为1 0 0 h z ，i 习此，角频率缈= 2 万= 2 0 0 ，r 。 1 4