CN103163377A - 通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，该方法通过开关控制一个与蓄电池并联的电感电容串联回路的通断，在蓄电池中产生变化的电流，引起其端电压的变化，由电流与端电压的变化关系来计算得到蓄电池内阻。本发明可以应用于所有需要对蓄电池内阻进行离线、在线检测、监测的场合，由于在放电回路中串联了电容，避免了开关失控或者受到干扰出现无法断开时造成的短路危险，安全性高。同时本发明原理和处理方法简单，易于实现。

Description

通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法

技术领域

本发明涉及的是一种蓄电池内阻的检测方法，具体地说，是一种通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法。属于工业测控技术领域。

背景技术

蓄电池在工业、交通、通讯行业中广泛应用，作为设备的主要电源或者备用电源，对被供电设备的安全、可靠地运行至关重要。因此，工作人员对蓄电池的性能是十分关心的。用内阻检测法判定蓄电池性能，实现蓄电池的在线维护，是目前公认的最佳方案之一。通过内阻在线检测可以使工作人员及早地做好蓄电池的维护、更换工作，保证被供电设备安全、可靠地运行。因此对蓄电池内阻的检测，特别是在线监测，具有重要的实际意义。

蓄电池的内阻可以间接地反映电池的容量和性能状况。电池的容量越大，内阻就越小，因此可以通过对蓄电池内阻的测量，实现对电池的容量进行在线评估。蓄电池性能变差时其内阻也会增大。但由于蓄电池的内阻很小，满容量时内阻约为几个毫欧，甚至零点几个毫欧，因此内阻法在实现时有较大的技术难度。

对蓄电池内阻的检测是一个比较复杂的过程，目前常见方法主要有：密度法、开路电压法、直流放电法和交流信号注入法。

密度法通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测量，不适合常用的胶体蓄电池和密封铅酸蓄电池的内阻检测。开路电压法通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池内阻，精度很差，甚至得出错误结论。

直流放电法和交流信号注入法是目前较常见的方法。

直流放电法是IEC896.2－1995标准中提出的方法，通过对蓄电池进行2次大小不同的大电流放电，测量蓄电池上的电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。直流放电法必须在静态或脱机的状态下才能实现测量，无法真正实现蓄电池的在线测量；大电流的放电对蓄电池存在损害，如果为监测蓄电池而频繁的进行测量，对蓄电池的损害将会积累，反而影响蓄电池的容量以及寿命；直流法的测量重复性一直是困扰直流法发展的瓶颈，一般测量周期为一个月以上，甚至达到一年。

交流信号注入法通过给蓄电池施加一个交流低频小电流信号，测出蓄电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出蓄电池的内阻。由于直流系统母线和馈电电缆分布电容的存在，且分布电容随直流系统容量、供电现场特点的不同而不同，分布电容对施加的低频电流信号起了分流作用，使电池内阻的监测分辨率大大降低，而且施加的低频电流信号对直流系统来说也为一干扰源。

本申请人之前申请的专利：

如公开号为CN1727909的中国发明专利，该专利提供一种通过电感放电检测蓄电池内阻的方法，该方法既可以在线也可以离线对蓄电池内阻进行监测，但需要对放电开关进行适当的控制，一旦开关失控或者受到干扰出现无法断开的现象，将对整个蓄电池系统造成安全问题。

如公开号为CN102768304A的中国发明专利，该专利提供一种储能系统蓄电池组内阻的在线检测方法，该方法只能对蓄电池内阻进行在线的监测，对于长期处于备用状态的蓄电池不能适用，同时该方法算法较为复杂，实现难度较高。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提出一种通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，其实现简单，安全性高，可实现对蓄电池内阻的在线监测和离线测量。

为实现上述的目的，本发明提供一种通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，该方法通过开关控制一个与蓄电池并联的电感电容串联回路的通断，在蓄电池中产生变化的电流，引起其端电压的变化，由电流与端电压的变化关系来计算得到蓄电池内阻。

优选地，本发明上述方法包括如下步骤：

第一步、放电控制

把电感L、电容C和开关S串联后并联在蓄电池的两端，测量时，将开关S闭合，电路处于二阶电路零状态响应状态，蓄电池通过电阻、电感和电容放电，得到变化的放电电流，变化的放电电流引起蓄电池端电压的变化。

第二步、电压电流信号的采集

对第一步的电路的电压电流信号进行同步采样测量以得到电压电流在同一个时刻的值。对电路中电压电流信号进行采样测量以得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]。

第三步、数据的处理

对蓄电池的端电压和放电电流在放电的不同时间进行两次测量就可以联立一个关于蓄电池电动势E和蓄电池内阻r的方程组，从而求解出蓄电池内阻，即对蓄电池内阻的一次测量。

单次测量可能存在较大的随机的、偶然的误差，要取得较为精确的结果可以进行多次测量。根据得到的一系列数据，在以放电电流为横坐标、蓄电池端电压为纵坐标的直角坐标系中描出蓄电池端电压u、放电电流i的数据点，并连成曲线，在理想情况下，该曲线应为一条直线，而此直线的斜率即为蓄电池内阻的大小。实际中，由于测量不可避免地存在误差，实际的数据点不可能正好处于一条直线上，必然存在一定的离散性。采用最小二乘法进行拟合处理，排除测量过程中一些干扰和偶然因素的影响，得到的直线的斜率即为蓄电池内阻。通过数据拟合的方法来消除干扰和偶然因素的影响，提高内阻检测精度和可信度。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明既可以在线也可以离线对蓄电池内阻进行监测，避免了某些方法只能对蓄电池内阻进行在线监测或者只能进行离线检测的限制，对于长期处于备用状态的蓄电池和处于运行状态的蓄电池均能适用。由于在放电回路中串联了电容，避免了开关失控或者受到干扰出现无法断开时造成的短路危险，安全性高。同时本发明原理和处理方法简单，易于实现。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明测量电压电流时的等效电路；其中，（a）为蓄电池处于离线状态进行测量或者未向蓄电池负载供电状态时进行测量的等效电路；（b）为蓄电池处于向负载供电状态时进行测量的等效电路。

图2为本发明实施例采用的测量电路示意图。

图3为本发明实施例蓄电池端电压与放电电流的拟合直线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，把电感、电容和开关串联后并联在蓄电池的两端，如图1中（a）和（b）所示。图中，电感的电感量为L；线路总电阻为蓄电池内阻、引线电阻、电感导线电阻、电容串联等效电阻及各种接触电阻之和；内阻用r表示；其他电阻之和为R；蓄电池的负载阻抗为R_f。

根据蓄电池的工作状态不同，其测量等效电路也不同。其中图1中(a)为蓄电池处于向负载供电状态时进行测量的等效电路；图1中(b)为蓄电池处于离线状态进行测量或者未向负载供电状态时进行测量的等效电路。

测量时，将开关S闭合，相当于一个阶跃信号作用于RLC串联电路，电路处于二阶电路零状态响应状态，蓄电池通过电阻、电感和电容放电，此时电路的微分方程为：

$\mathrm{LC}\frac{d^2{u}_C}{\mathrm{dt}}+(R+r\′)\·C\frac{{\mathrm{du}}_C}{\mathrm{dt}}+u_c=E^{\′}---\left(1\right)$

$i=C\frac{d{u}_C}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

对于图1(a)，r'=r//R_f，

对于图1(b)，r'=r，E'=E。

该方程为二阶常系数非齐次微分方程，其描述的电路放电过程由线路总电阻(R+r')的大小与电感L和电容C之间的相对关系决定。当

时，电路暂态响应为振荡放电过程，当

时，电路暂态响应为非振荡放电过程。无论是何种暂态过程，总会得到变化的放电电流，变化的放电电流引起蓄电池端电压的变化。

对于图1中(a)，蓄电池的端电压与总的放电电流的关系为：

$u=\frac{R_f}{R_f+r}E-r^{\′}\·i---\left(3\right)$

对于图1(b)，蓄电池的端电压与总的放电电流的关系为：

u=E-r·i        （4）

由于实际中R_f>>r，因此

r'≈r。可以近似认为式（3）等同于式（4）。

所述控制开关S即可采用机械动作式开关，也可采用由全控型电力电子开关器件构成的双向开关。因为电力电子开关器件的过载特性差，选型时开关的额定电流需要考虑充足的裕量。

所述放电电感L和电容C的选取时需注意两个方面的因素：首先，因为放电时放电电流从零开始逐渐增大，为了保证测量的精度，要使放电终止时放电电流达到一个较大的数值，因此电感L和电容C不宜过小；其次，其电感L和电容C的大小也要保证在放电时间内放电电流不要过大，以免给蓄电池和开关造成损伤。

本实施例中电阻R一般不用人为设置，它为引线电阻、电感导线电阻、电容等效串联电阻及各种接触电阻之和，实际电路中其大小一般小于1欧姆。

本实施例中，蓄电池的放电时间短，且放电持续时间短，持续时间由电路的时间常数决定，与开关开通的控制时间无关，安全性高。测量过程对蓄电池的容量和性能没有任何不利影响。不同于只对蓄电池在1、2个不同的工作电流下进行测量的方法，本发明中蓄电池的放电电流为一个小大变化的电流，测量结果反应的是蓄电池在不同的放电电流下的反应出来的内阻的综合情况，因此结果具有较高的可信性。

采用如图2所示的测量电路对图1中标注的电压电流信号进行同步采样测量以得到电压电流在同一个时刻的值。测量电路采用高速同步采样，理论上讲，采样频率越高越好，测量时间越长，测量点数越多越好。但受成本、技术条件等实际因素的限制，点数也不宜太多，实际采样频率取本电路LC谐振频率的50-100倍，测量时间长度为1-2个谐振周期，测量点数可在50－200之间即可。

出于安全考虑，在保证测量精度和速度的前提下对电压、电流的测量宜采用隔离的方式，如对蓄电池端电压，可以采用线性光耦、隔离运放等方式；放电电流采用霍尔电流传感器进行测量。电压电流采样前应进行抗混叠低通滤波处理。

采用如附图2所示的测量电路对图中的电压电流信号进行采样测量以得到蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]。

根据上述的式（4），对蓄电池的端电压和放电电流在放电的不同时间进行两次测量就可以联立一个关于蓄电池电动势E和蓄电池内阻r的方程组，从而求解出蓄电池内阻，即对蓄电池内阻的一次测量。

单次测量可能存在较大的随机的、偶然的误差，要取得较为精确的结果可以进行多次测量。上述测量得到的蓄电池组端电压的时间序列[u(1),u(2),u(3),……,u(M)]和电流的时间序列[i(1),i(2),i(3),……,i(M)]即为对蓄电池放电过程的多次测量结果。对于蓄电池而言，在一系列不同的放电电流的情况下，对其总的放电电流和对应的端电压进行测量，这样得到的结果更加能够准确的反映蓄电池内阻的情况。

根据上述得到的一系列数据，在以放电电流为横坐标、蓄电池端电压为纵坐标的直角坐标系中描出蓄电池端电压u、放电电流i的数据点，并连成曲线，在理想情况下，该曲线应为一条直线，而此直线的斜率即为蓄电池内阻的大小。实际中，由于测量不可避免地存在误差，实际的数据点不可能正好处于一条直线上，必然存在一定的离散性，如图3所示。

采用最小二乘法进行拟合处理，排除测量过程中一些干扰和偶然因素的影响，得到的直线的斜率即为蓄电池内阻。

以下为一个具体应用实施例：

1、放电控制

在具体的实施中，按照图1中（a）、（b）所示的原理图构成系统，将图中电压表、电流表换为相应的电压电流测量电路即可。

被测对象为48V，100Ah磷酸铁锂蓄电池。

控制开关S采用电磁继电器，额定电流100A。

放电回路电感L的大小为1mH的磁粉芯电感，回路导线电阻、接触电阻和电容等效串联电阻等之和（总电阻）为约500毫欧。

放电回路电容C为10uF电容，蓄电池一次放电释放的电量为0.00048库仑，只占其总容量的4.8×10^-6，因此对蓄电池的容量和性能没有任何不利的影响。

2、电压电流信号的采集

根据放电回路电感L和电容C的数值，计算出其谐振频率约为1.6kHz。

电流传感器采用霍尔电流传感器ITB100-S，其最大测量电流100A；电压测量采用高精度隔离型运算放大器AD208；信号调理电路中采用ADI公司精密超低噪声轨到轨零漂移运算放大器ADA4528-1；电路部分的测量精度可达到0.05％。

采用16位的模数转换器AD7654以100K的采样速率对电压、电流信号进行采样，采集时间长度为1ms，可以得到100个时间点的数据。

3、数据的处理

对于得到的100点的数据，采用最小二乘法拟合出一条直线，计算得到直线的斜率为3.2×10^-3，即被测蓄电池的内阻为3.2毫欧。

相对于其他技术，本发明中蓄电池的放电时间短，且放电持续时间短，持续时间由电路的时间常数决定，与开关开通的控制时间无关，安全性高。测量过程对蓄电池的容量和性能没有任何不利影响。不同于只对蓄电池在1、2个不同的工作电流下进行测量的方法，本发明中蓄电池的放电电流为一个小大变化的电流，测量结果反应的是蓄电池在不同的放电电流下的反应出来的内阻的综合情况，因此结果具有较高的可信性。

本发明可以应用于所有需要对蓄电池内阻进行离线、在线检测、监测的场合，如电力直流屏、电动汽车的蓄电池管理、海洋灯塔的蓄电池管理、信息中心机房等需要蓄电池组作为备用电源和大容量电池储能系统等对蓄电池状态十分关心的场合。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，其特征在于：该方法通过开关控制一个与蓄电池并联的电感电容串联回路的通断，在蓄电池中产生变化的电流，引起其端电压的变化，由电流与端电压的变化关系来计算得到蓄电池内阻。

2.根据权利要求1所述的通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

第一步、放电控制

把电感L、电容C和开关S串联后并联在蓄电池的两端，测量时，将开关S闭合，电路处于二阶电路零状态响应状态，蓄电池通过所述电阻、电感和电容放电，得到变化的放电电流，变化的放电电流引起蓄电池端电压的变化；

第二步、电压电流信号的采集

对第一步电路的电压电流信号进行同步采样测量以得到电压电流在同一个时刻的值；

第三步、数据的处理

对蓄电池的端电压和放电电流在放电的不同时间进行两次测量联立一个关于蓄电池电动势E和蓄电池内阻r的方程组，从而求解出蓄电池内阻，即对蓄电池内阻的一次测量；或者进行多次测量，根据得到的一系列数据，再以放电电流为横坐标、蓄电池端电压为纵坐标的直角坐标系中描出蓄电池端电压u、放电电流i的数据点，并连成曲线，采用最小二乘法进行拟合处理，排除测量过程中一些干扰和偶然因素的影响，得到的直线的斜率即为蓄电池内阻。

3.根据权利要求2所述的通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，其特征在于：所述电压电流信号的采集，其中采样频率取被检测电路LC谐振频率的50-100倍，测量时间长度为1-2个谐振周期，测量点数在50－200之间。

4.根据权利要求2所述的通过电感电容串联放电检测蓄电池内阻的方法，其特征在于：所述电压、电流的测量采用隔离的方式，放电电流采用霍尔电流传感器进行测量，电压电流采样前应进行抗混叠低通滤波处理。

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