CN101059554B

CN101059554B - 特定激励频率的蓄电池内阻四线测量方法及信号源装置

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Publication number: CN101059554B
Application number: CN2007100543281A
Authority: CN
Inventors: 何毓宁
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-04-28
Filing date: 2007-04-28
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2027-04-28
Also published as: CN101059554A

Abstract

本发明涉及一种特定激励频率的蓄电池内阻四线测量方法及其激励信号源装置。在蓄电池内阻四线在线测量过程中，激励信号采用同步半工频激励信号，所述激励信号是通过对工频信号经过过零检测电路获取同步脉冲，并经过分频电路所获得的同步半工频信号。所述信号源装置，变压器初级端连接工频电源，其次级端输出连接过零监测电路，过零检测电路输出的同步脉冲信号经过分频、相移电路分频、移相后获得的同步半工频信号经整形电路滤除高次谐波后输出。通过保持激励信号与工频的相位差恒定不变并使之与半工频的频率差为零，可以避免测量数据因相位变化而引起的相位性跳动、及测量数据因频率的微小差异所导致的差拍性跳动，提高蓄电池在线内阻测量的精度。

Description

特定激励频率的蓄电池内阻四线测量方法及信号源装置

一、技术领域：本发明涉及一种蓄电池内阻测量方法，特别是涉及一种采用同步半工频激励信号测量蓄电池内阻的方法及其同步半工频激励信号源。

二、背景技术：蓄电池内阻测试仪应用于蓄电池组的在线维护时，必须保持蓄电池组处于在线运行状态，就是“不停机、不切换”。目前蓄电池内阻在线测量普遍采用4线制的测量方法，即其中两条线用于构成激励电流的注入回路，另两条线用于构成在激励信号作用下检测蓄电池端电压变化的采样回路。通常情况下蓄电池组在线运行时，既存在来自充电设备的前向干扰，也存在来自用电设备的后向干扰，这些干扰按频率特征一般可分为2类，一类是由高频开关电源技术而产生的开关噪声，其频率分布一般从5KHz到2MHz；另一类是由常规整流滤波电路产生的工频及其谐波干扰，其频率分布一般从50Hz到300Hz，此类干扰因为频率低，从技术上讲很难彻底滤除，是造成测量数据跳动的主要原因，而且内阻测试仪的灵敏度越高跳动越大。

现有内阻测试仪产品的激励频率从直流到1000Hz各不相同，虽说都符合4线方法的测量原理，但不同的激励频率不仅对蓄电池等效内阻的测量结果不完全相同，对仪表抗在线干扰的性能也有很大差异。为了保证测量精度，必须尽量提高蓄电池内阻测试仪的在线抗干扰性能。由于激励频率与干扰频率相同或相近都会增加滤波困难，激励频率与干扰频率相差越远滤波效果越好，因而激励频率不仅需要避开50Hz到300Hz，还需留出足够的频率间隔。激励频率大于300Hz的产品如日本日置公司的HIOKI 3551型，频率选择在1000Hz；激励频率小于50Hz的技术如中国实用新型专利：ZL 99243034.8(授权公告号为CN2389376Y)，频率选择在10Hz，美国专利：U.S.Patent NO：5,774,962频率为0Hz。

频率选择1000Hz的优点是：对50～300Hz干扰频段的频率间隔大，有利于滤波；激励时间短，有利于降低功耗。缺点是：因为测量夹具在结构上存在4线平行的特点，激励电流的注入回路与信号电压的采样回路之间必然存在电磁感应，而这个感应电压并不能通过欧姆定律反应出来，也就是说当被测电阻R＝0时采样值并不归零。1000Hz的电磁感应为工频的20倍，为了消除不归零值，需要采取特殊的技术措施，例如其说明书中强调，“对不同间距的极柱需要按间距重新校零”即为技术措施之一。美国Alber(阿尔伯)公司的“瞬间大电流放电测内阻”专利认为，直流激励可以避免交流激励而致的电磁感应的不利影响，直流激励有利于滤除交流特征的干扰。但是这些观点在技术上存在诸多疑点：一是电池直流电动势的存在对测量精度的不利影响，这是直流激励方案无法摆脱的弱点；二是电解液中的电流本质上是相对低速的离子运动，因电流变化所引起离子运动的变化需要经历很长的平衡时间，某一个时间点并不能及时反映电池放电后的动态平衡：以公开资料的数据为例，测量前离子处于开路平衡状态，负载电流的初始值I＝0，那么加载70A后将会达到一个新的平衡状态，但其平衡时间在经验上远大于10秒(已有许多研究报告确认了平衡过程中存在着电压的急剧变化)，因此，3.25秒仅仅是平衡过程中的一个暂态点，此时电压值正处于急剧变化之中，由此可以合理推断：如果把加载时间由3.25秒改变为2.25秒或4.25秒，都将会得到不同的测量结果，就是说在一个暂态点并不能准确测量出电池内阻的稳态值；另外，不同金属的温差电动势对其测量精度也有一定的不利影响，“瞬态”测量所必需的高速响应与交流激励方案一样将降低仪表的抗干扰能力，这都是直流激励方案的技术难点。哈尔滨子木新能源公司为规避直流激励的诸多难点，选择了10Hz的交流激励方案。10Hz与工频相差5倍程，虽然具有足够滤波使用的频率间隔，但对于模拟电路进入稳定状态所必需的20个周期来说，10Hz的激励时间至少需要2秒钟。显然，激励时间越长带来激励功率上的负担越重，激励频率偏低也会造成耦合电容或耦合变压器在体积、重量和成本上偏大。

从以上分析可以看出，选择任何激励频率都有利有弊，一般而言，激励频率高有利于减小功耗和体积重量，但却增加了空间电磁感应对测量精度的影响；激励频率低则反之。因此，如何综合考虑各种因素，选择一个最佳激励频率，以最大程度的降低蓄电池内阻在线测量的各种干扰，提高蓄电池内阻测量精度，是一个值得深入研究的问题。中国发明专利ZL 91103300.9(授权公告号CN1024720C、公告日1994年5月25日)公开了一种采样脉冲和测试信号同时基的电子测量装置，测试信号周期与采样脉冲周期由同一高稳定的基准时钟在软硬件的配合下分频产生，能准确同步，同时测试信号是由预先存贮在存贮器中的波形相应时刻的量化数据在基准时钟程序的连续作用下产生，消除了截断误差和随机干扰，测量精度高，速度快，稳定性好，失真度小。该发明专利只强调了激励与采样之间的同步，其同步时钟的频率相位都与工频无关，因此不能消除或减少工频及其谐波对测量结果的干扰。

三、发明内容：

本发明所要解决的技术问题：针对现有技术不足，提出一种采用同步半工频激励信号测量蓄电池内阻的方法及其同步半工频激励信号源装置，可避免测量数据因相位变化而引起的相位性跳动以及测量数据因频率的微小差异所导致的差拍性跳动，提高蓄电池在线内阻测量的精度。

本发明所采用的技术方案：

一种特定激励频率的蓄电池内阻四线测量方法，在蓄电池内阻在线测量过程中，分别在待测蓄电池正、负极柱上用两根导线接入电压检测装置构成电压采样回路，用另两根导线接入激励信号源和电流检测装置构成电流注入回路，分别读取电压检测装置和电流检测装置的电压值和电流值，然后根据欧姆定律通过计算得出蓄电池内阻测量值，其特征是：所述电流注入回路中激励信号源输出的激励信号是通过对工频信号经过过零检测电路获取同步脉冲，并经过分频电路所获得的同步二分之一工频或四分之一工频信号。

所述的蓄电池内阻四线测量方法，激励信号源通过分频电路保持激励信号与二分之一工频的频率差为零，以避免测量数据因频率的微小差异所导致的差拍性跳动；所述二分之一工频激励信号对我国50Hz的工频标准而言为25Hz，对欧美60Hz标准而言为30Hz，对日本110Hz标准而言为55Hz，并能跟随工频的微小变化而自动改变。

所述的蓄电池内阻四线测量方法，分频电路输出的二分之一工频或四分之一工频信号通过相移电路延时移相，以保持其与工频信号的相位差恒定不变，可避免测量数据因相位变化而引起的相位性跳动。

一种用于蓄电池内阻测量的同步半工频激励信号源装置，含有变压器，变压器初级端连接工频电源，变压器次级输出端连接过零监测电路，过零检测电路输出的同步脉冲信号经过分频、相移电路分频、移相后获得同步半工频信号，所述同步半工频信号经整形电路滤除高次谐波后输出连接激励信号输出端。

所述的信号源装置，过零检测电路由通用集成电路电压比较器构成，整形电路由通用集成运算放大器构成，分频电路采用通用数字集成电路计数器，相移电路采用施密特反相缓冲/变换器。

由通用集成电路四电压比较器LM339构成过零检测电路，变压器次级输出的工频信号分别接入LM339中两路比较器的同相输入端和反相输入端，两路比较器的另两相输入端分别连接基准信号，两路比较器输出端输出的100Hz同步脉冲信号接入由计数器CD4024构成的分频电路，经计数器CD4024四分频获得25Hz半工频信号接入由两个施密特反相缓冲/变换器CD40106构成的相移电路，经相位延时使其与工频信号的相位差恒定不变，相移电路输出的同相半工频信号接入由电阻、电容和集成运算放大器LM324构成的整形电路输入端，经整形电路滤除高次谐波、整形后作为激励信号输出。

所述的信号源装置，由光电耦合器构成过零检测电路，分频、移相电路采用单片机程控电路，变压器次级输出工频信号通过光电耦合器获得隔离的50Hz同步脉冲信号，所述同步脉冲信号经单片机程控电路分频、移相获得同相半工频信号，所述同相半工频信号接入由电阻、电容和运算放大器构成的整形电路输入端，经整形电路滤除高次谐波、整形后作为激励信号输出。

本发明的有益积极效果：

1、本发明采用同步半工频激励信号测量蓄电池内阻的方法，通过过零检测与相移电路保持激励信号与工频的相位差恒定不变，可避免测量数据因相位变化而引起的相位性跳动；通过分频电路保持激励信号与半工频的频率差为零，可避免测量数据因频率的微小差异所导致的差拍性跳动；由此消除或减少工频及其谐波干扰测量结果，提高蓄电池在线内阻测量的精度。

2、本发明用于蓄电池内阻测量的同步半工频激励信号源装置，对50Hz工频而言，在工频以下的各分频点系列：25Hz、12.5Hz、6.75Hz、……中，频率最高，功耗最低。

3、本发明同步半工频激励信号源装置，留有足够的频率间隔供滤波电路使用(对50Hz工频而言该频率间隔为25Hz)，在保证测量精度达的前提下，可以有效降低仪器结构成本。

四、附图说明：

图1：本发明同步半工频激励信号源装置电路原理方框图

图2：本发明同步半工频激励信号源装置具体实施方式之一电路原理图

图3：本发明同步半工频激励信号源装置具体实施方式之二电路原理图

五、具体实施方式：

实施例一：本发明提出一种采用特定激励频率信号的蓄电池内阻四线测量方法，在蓄电池内阻在线测量过程中，分别在待测蓄电池正、负极柱上用两根导线接入电压检测装置构成电压采样回路，用另两根导线接入激励信号源和电流检测装置构成电流注入回路，分别读取电压检测装置和电流检测装置的电压值和电流值，然后根据欧姆定律通过计算得出蓄电池内阻测量值，其与传统四线制测量方法不同的是：所述电流注入回路中激励信号源输出的激励信号是通过对工频信号经过过零检测电路获取同步脉冲，并经过分频电路所获得的同步二分之一工频(或四分之一)工频信号。

所述电流注入回路的激励信号采用同步工频信号，通过对工频信号经过过零检测电路获取同步脉冲，并经过分频电路获得同步二分之一工频信号，激励信号的频率严格等于工频频率的一半，并能跟随工频的微小变化而自动改变，半工频对我国50Hz的工频标准而言为25Hz，对欧美60Hz标准而言为30Hz，对日本110Hz标准而言为55Hz。

激励信号源通过分频电路保持激励信号与二分之一工频的频率差为零，目的是为了避免测量数据因频率的微小差异所导致的差拍性跳动；通过对所述分频电路输出的二分之一工频信号进行相位延时，保持其与工频信号的相位差恒定不变，目的是避免测量数据因相位变化而引起的相位性跳动。

实施例二：参见图1、图2，本实施例用于蓄电池内阻测量的同步半工频激励信号源装置采用通用集成电路。所述同步半工频激励信号源装置，含有变压器(1)，变压器(1)初级端连接工频电源，变压器(1)次级输出端连接过零监测电路(2)，过零检测电路(2)输出的同步脉冲信号经过分频电路(3)、相移电路(4)分频、移相后获得半工频信号，所述半工频信号连接整形电路(4)，经整形电路(4)滤除高次谐波后输出同步半工频信号连接信号源装置的激励信号输出端。本实施例中过零检测电路(2)由通用集成电路四电压比较器LM339中的两路构成，分频电路(3)由七位二进制串行计数器CD4024构成，以两个施密特反相缓冲/变换器CD40106构成移相电路(4)。变压器(1)次级输出的工频信号分别接入LM339中两路比较器的同相输入端和反相输入端，此两路比较器的另两相输入端分别连接基准信号，其电源端连接工作电源，比较器输出100Hz同步脉冲信号接入经计数器CD4024四分频获得25Hz半工频信号，所述半工频信号经电阻R₄₁、接地电容C₄₁耦合接入相移电路，经两个CD40106移相获得同相半工频信号，以使其与工频信号的相位差恒定不变，两个CD40106的输入、输出端之间连接有可调电阻W₁和接地电容C₄₂，相移电路输出的同相半工频信号接入由电阻、电容和集成运算放大器LM324构成的整形电路，经整形电路滤除高次谐波、整形后作为激励信号输出。

实施例三：参见图1、图3，图中标号同实施例二相同的代表意义相同，不重述。本实施例以单光耦构成过零检测电路获得隔离的50Hz同步脉冲、以单片机CPU经软件编程进一步实现分频和移相。变压器次级输出工频信号通过光电耦合器获得隔离的50Hz同步脉冲信号，所述同步脉冲信号经单片机程控电路分频、移相获得同相半工频信号，所述同相半工频信号经过整形电路滤除高次谐波、整形后作为激励信号输出。本实施例光耦采用4N25，单片机采用AT89C51。

采用类似的方法和其它具有相同功能和作用的通用模拟、数字集成电路或/和单片机，同样可以做出本实用新型二分之一(或四分之一)工频频率的激励信号源装置，其具体电路构造及连接关系根据选择的元器件不同稍有差别，而不同元器件的应用为本领域技术人员所熟知，在此不再一一详述。

Claims

1.一种特定激励频率的蓄电池内阻四线测量方法，在蓄电池内阻在线测量过程中，分别在待测蓄电池正、负极柱上用两根导线接入电压检测装置构成电压采样回路，用另两根导线接入激励信号源和电流检测装置构成电流注入回路，分别读取电压检测装置和电流检测装置的电压值和电流值，然后根据欧姆定律通过计算得出蓄电池内阻测量值，其特征是：所述电流注入回路中激励信号源输出的激励信号是通过对工频信号经过过零检测电路获取同步脉冲，并经过分频电路所获得的同步二分之一工频或四分之一工频信号。

2.根据权利要求1所述的蓄电池内阻四线测量方法，其特征是：激励信号源通过分频电路保持激励信号与二分之一工频的频率差为零，以避免测量数据因频率的微小差异所导致的差拍性跳动；所述二分之一工频激励信号对我国50Hz的工频标准而言为25Hz，对欧美60Hz标准而言为30Hz，对日本110Hz标准而言为55Hz，并能跟随工频的微小变化而自动改变。

3.根据权利要求1或2所述的蓄电池内阻四线测量方法，其特征是：所述分频电路输出的二分之一工频或四分之一工频信号通过相移电路延时移相，以保持其与工频信号的相位差恒定不变，避免测量数据因相位变化而引起的相位性跳动。

4.一种用于蓄电池内阻测量的同步半工频激励信号源装置，含有变压器，整形电路，所述变压器初级端连接工频电源，变压器次级输出端连接过零监测电路，其特征是：所述过零检测电路输出的同步脉冲信号经过分频电路分频后接入相移电路的输入端，所述相移电路的输出端连接整形电路的输入端，所述整形电路的输出端连接激励信号源装置的输出端。

5.根据权利要求4所述的信号源装置，其特征是：过零检测电路采用通用集成电路电压比较器，分频电路采用通用数字集成电路计数器，相移电路采用施密特反相缓冲/变换器，整形电路采用通用集成运算放大器，变压器次级输出的工频信号分别接入四电压比较器LM339中两路比较器的同相输入端和反相输入端，两路比较器的另两相输入端分别连接基准信号，两路比较器输出端输出的100Hz同步脉冲信号接入由计数器CD4024构成的分频电路，经计数器CD4024四分频获得25Hz半工频信号接入由两个施密特反相缓冲/变换器CD40106构成的相移电路，经相位延时使其与工频信号的相位差恒定不变，相移电路输出的同相半工频信号接入由电阻、电容和集成运算放大器LM324构成的整形电路输入端，经整形电路滤除高次谐波、整形后作为激励信号输出。

6.根据权利要求4所述的信号源装置，其特征是：由光电耦合器构成过零检测电路，分频、移相电路采用单片机程控电路，变压器次级输出工频信号通过光电耦合器获得隔离的50Hz同步脉冲信号，所述同步脉冲信号经单片机程控电路分频、移相获得同相半工频信号，所述同相半工频信号接入由电阻、电容和运算放大器构成的整形电路输入端，经整形电路滤除高次谐波、整形后作为激励信号输出。