CN103645382A - 一种在线电池内阻测量装置及其测量方法 - Google Patents

一种在线电池内阻测量装置及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在线电池内阻测量装置及其测量方法，适用于在线测量电池中的单体电池内阻，包括一激励源电路，电性连接于待测的任意两个单体电池之间和电池端、分别或同时与两个单体电池构成回路；一模数转换单元，检测和转换单体电池端的响应电压，且同时电性连接与两个单体电池构成的回路，检测和转换回路中的电流，还检测和转换电流和响应电压之间的相位值；一数字信号处理单元，电性连接于模数转换单元，接收所述模数转换单元的转换信号后，演算出待测单体电池的内阻值；实现不损伤单体电池及电池在线负载的情况下，实现精确、高效和方便的单体电池的内阻测量。

Description

一种在线电池内阻测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种电池测试仪及测量方法，更具体地说，本发明涉及一种在线电池内阻测量装置，同时，本发明还提供一种在线电池内阻测量装置的测量方法。
背景技术
蓄电池因其制造成本低、容量大、价格低廉的固有特性，已经广泛用于军事、农业、工业等国名经济发展的各科技领域；随着科学技术的不断发展、进步，现在的生产电池的企业对电池测试仪的要求越来越高，除了要求其测试功能要更全面外，还要求所测参数具备更高的精度和检测各项参数的总耗时更少。电池内阻作为衡量电池性能的一个重要参数及技术指标，一般而言，电池的容量越大，其内阻就越小，通过对内阻的测量就能评估容量的大小，还可以根据电池全寿命内阻值得变化趋势来预测电池的寿命，因此，对电池内阻这项性能指标约而来越被人们重视，对其进行测量将有着非常重要的实际意义。
目前行业中应用的电池内阻测量方法主要有以下两种：   
    1.直流放电内阻测量：直流放电内阻测量根据物理公式Ｒ=Ｕ/Ｉ，测试设备让电池在短时间内（一般为2～3秒）强制通过一个很大的恒定直流电流（目前一般使用40A～80A的大电流），测量此时电池两端的电压，并按公式计算出当前的电池内阻。但这种测量方法的缺点是 （1）只能测量大容量电池或者蓄电池，小容量电池无法在2～3秒钟内负荷40A～80A的大电流； （2）当电池通过大电流时，电池内部的电极会发生极化现象，产生极化内阻。故测量时间必须很短，否则测出的内阻值误差很大；（3）大电流通过电池对电池内部的电极有一定损伤，从而影响蓄电池的容量及寿命；（4）必须在静态或脱机的状态下才能实现直流法的测量，无法真正实现蓄电池的在线测量，这样就不可避免对设备运行安全性带来隐患。
2.交流压降内阻测量法：
交流法通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号IS，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差cos由阻抗公式来确定蓄电池的内阻R ，但该方法蓄电池内阻很小, 交流注入所引起蓄电池两端响应电压信号很微弱, 极易受环境噪声干扰,很难准确测量,并且需要测量交流电流信号Is,电压响应信号Vo，以及电压和电流之间的相位差，由此可见这种方法不但干扰因素多，，既影响了精度，而且增加了系统的复杂性，同时也影响了测量精度。
因此，当前的电池测试仪在技术上存在的技术问题是，在在线情况下，可检测的参数有限、所检测到的参数精度不够，以及电池测试仪每次检测一个电池总耗时过长，有的可达到3S-5S甚至更长。目前的电池测试仪还存在以下缺点：只有少数的几个按键，操作起来相当麻烦；显示界面相当复杂，苦涩难懂；测试结果仅能靠观察显示屏获得，鉴于目前的电池测试仪的现状，电池的测试仪及测试方法已经出现了技术瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种在线电池内阻测量装置，解决电池在线带负载的情况下，对电池中的单体电池的内阻进行精确、快速和便捷测量；同时本发明还提供一种在线电池内阻测量装置的测量方法，消除在线测量的负载干扰影响。
为了实现上述目的，本发明提供一种电池内阻测量装置，适用于在线测量电池中的单体电池内阻，所述测量装置包括：
一激励源电路，电性连接于待测的任意两个单体电池之间和电池端、分别或同时与两个单体电池构成回路，通过激励源电路对所述回路中的单体电池分别或同时施加两次交流信号；
一模数转换单元，分别电性连接待测的两个单体电池端，检测和转换单体电池端的响应电压，且同时电性连接与两个单体电池构成的回路，检测和转换回路中的电流，还检测和转换电流和响应电压之间的相位差值； 
一数字信号处理单元，电性连接于模数转换单元，接收所述模数转换单元的转换信号后，演算出待测单体电池的内阻值；数字信号处理单元也发出信号控制激励源电路施加两次交流信号。
进一步在于电池为一个单体电池或两个以上串接的单体电池，当只有一个单体电池时，串接电阻与一个单体电池等效成两个单体电池。
进一步在于该装置还包括显示通信单元，数字信号处理单元与显示通信单元进行相互信息传递。
进一步在于所述的显示通信单元包括显示屏、CPU处理器以及RS232/RS485通讯模块。
进一步在于模数转换单元包括信号检测单元，检测响应电压和电流信号，信号检测单元包括一高通滤波模块。
本发明还提供一种电池内阻测量装置的测量方法，所述内阻测量方法包括以下步骤：
对一个单体电池或两个以上串接的单体电池进行在线的单体电池内阻测量；
当只有一个单体电池时，串接电阻构成等效的两个串接的单体电池；
通过接线连接，使激励源电路电性连接于任意待测的两个单体电池之间和电池端、分别或同时与待测的两个单体电池构成回路，且分别或同时对所述单体电池施加两次交流信号；
通过模数转换单元分别电性连接待测的两个单体电池端，检测和转换两个单体电池端的响应电压，还同时电性连接两个单体电池之间和电池端、分别或同时与待测的两个单体电池构成回路，检测和转换回路中的电流，及还检测和转换电流和响应电压之间的相位值；
通过数字信号处理单元电性连接于模数转换单元，接收所述模数转换单元的转换信号后，演算出待测的两个单体电池的内阻值；数字信号处理单元也发出信号控制激励源电路对回路施加交流信号。
进一步在于分别与两个单体电池构成回路的内阻演算公式为：
 r1=【V222 * V11 * Iy1 * cos（a）-V22 * V11 * V11 * V21 * Iy1 * cos（a+d-b）-V21 * V12 * V22 * Iy1 * cos（b+c-d）+V12 * V212 * Iy2 * cos（c）】/（V22 * Iy1）2+（V21*Iy2）2- 2 * V22 * Iy1 * V21 * Iy2 * cos（b-d）
其中，设两个串接的单体电池的内阻分别为r1、r2，分别对所述单体电池施加两次交流信号，第一次施加交流信号后的单体电池响应电压V11、V21，电流Iy1， V11与Iy1之间的相位a，V21与Iy1之间的相位b；第二次施加交流信号后的单体电池响应电压V22、V12，电流Iy2，V12与Iy2之间的相位c，V22与Iy2之间的相位d。
进一步在于同时与两个单体电池构成回路的内阻演算公式为：
r1=【Vn22 * V11 * Iy1 * cos（a）-Vn2 * V11 * V11 * Vn1 * Iy1 * cos（a+d-b）-Vn1 * V12 * Vn2 * Iy1 * cos（b+c-d）+V12 * Vn12 * Iy2 * cos（c）】/（Vn2 * Iy1）2+（Vn1*Iy2）2- 2 * Vn2 * Iy1 * Vn1 * Iy2 * cos（b-d）
其中，设两个以上待测的任意两个串接的单体电池的内阻分别为r1、rn，同时对所述单体电池施加两次交流信号，第一次施加交流信号后的单体电池响应电压V11、Vn1，电流Iy1， V11与Iy1之间的相位a，Vn1与Iy1之间的相位b；第二次施加交流信号后的单体电池响应电压Vn2、V12，电流Iy2，V12与Iy2之间的相位c，Vn2与Iy2之间的相位d。
进一步在于对同时与待测的两个单体电池构成回路，施加两次交流信号在电池端所测得的电流信号需满足Ix1/Iz1≠Ix2/Iz2
其中，设第一次施加交流信号后的电池端电流Ix1、Iz1，第二次施加交流信号后的电池端电流Ix2、Iz2。
本发明是通过对一个或两个以上电池中的单体电池通过施加两次交流信号源，并同步测量相应的电流、电压、电流和电压之间的相位值建立方程求得待测单体电池的内阻值，由于在在线测量时存在并联负载与电源设备的干扰影响，在演算公式中需要施加两次交流信号的激励形成方程组抵消或去除干扰及影响， 根据基尔霍夫电流定律并结合其他原理和公式推导得出需要测量的每个内阻值。
本发明的有益效果是在不损伤单体电池及电池在线负载的情况下，实现精确、高效和方便的单体电池的内阻测量。
说明书附图
图1为本发明在线电池内阻测量装置的整机架构图。
图2为本发明分别对所述单体电池施加第一次交流信号的等效电路示意图。
图3为本发明分别对所述单体电池施加第二次交流信号的等效电路示意图。
图4为本发明同时对所述单体电池施加两次交流信号的等效电路示意图。
 
具体实施方式
下面结合附图，详细说明本发明的优选实施例。
实施例1，如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种在线电池内阻测量装置及测量方法，对两个串接的单体电池进行内阻测量，包括激励源电路、模数转换单元、数字信号处理单元和显示通信单元，模数转换单元还包括信号检测单元，显示通信单元包括CPU处理器、显示屏和RS232/RS485通讯模块，激励源电路电性连接于待测的两个单体电池之间和电池端，并分别与两个单体电池构成回路，并分别对所述单体电池构成的回路前后各施加一次交流信号；
模数转换单元通过信号检测单元分别电性连接待测的两个单体电池端，检测和转换两个单体电池端的响应电压V11、V21、V12、V22，还同时电性连接检测和转换两个单体电池之间激励源电路前后两次的电流Iy1、Iy2，还检测和转换电流和响应电压之间的相位a、b、c和d，通过数字信号处理单元进行相位差值计算； 
数字信号处理单元电性连接于模数转换单元，接收所述模数转换单元的转换信号后，分别演算出两个待测单体电池的内阻r1、r2值；数字信号处理单元也发出信号控制激励源电路施加交流信号。
显示通信单元和数字信号处理单元相互信息传递，其中CPU处理器和数字信号处理单元进行信息传递，CPU处理器分别控制显示屏和RS232/RS485通讯模块。
本实施例还提供一种在线电池内阻测量装置的测量方法，如图1、图2和图3所示，所述内阻测量方法包括以下步骤：对两个串接的单体电池的内阻r1、r2进行内阻测量，数字信号处理单元控制激励源电路的Y端分别输出交流信号至两个单体电池之间，并分别通过X和Z端和一个单体电池构成回路后对每一回路前后施加一次交流信号，模数转换单元通过信号检测单元检测第一次施加交流信号后的单体电池响应电压V11、V21，电流Iy1， V11与Iy1之间的相位a，V21与Iy1之间的相位b；检测第二次施加交流信号后的单体电池响应电压V22、V12，电流Iy2，V12与Iy2之间的相位c，V22与Iy2之间的相位d，将上述值送至数字信号处理单元演算出内阻r1，具体公式为
r1=【V222 * V11 * Iy1 * cos（a）-V22 * V11 * V11 * V21 * Iy1 * cos（a+d-b）-V21 * V12 * V22 * Iy1 * cos（b+c-d）+V12 * V212 * Iy2 * cos（c）】/（V22 * Iy1）2+（V21*Iy2）2- 2 * V22 * Iy1 * V21 * Iy2 * cos（b-d）
同理，可以演算出内阻r2。
本实施例或者也可以对一个单体电池进行测量，当为一个单体电池时，与单体电池连接一个串接电阻，使串接电阻等同一个单体电池，实现两个单体电池串接状态下的内阻测量。
本实施例的有益效果为在线和带负载的情况下，快速准确测量蓄电池健康状态和荷电状态以及连接电阻参数，包含以下特点：
<1>可完全在线测量单体或多组电池的电压和内阻。
<2>数据处理智能化，方便维护人员进行分析和处理。
<3>对蓄电池故障进行报警。
<4>可与上位机进行通讯，进行数据上传。
<5>可以对数据进行保存、查询和删除等各种操作。
<6>PC机分析软件可对上传的数据进行各种操作，包括数据的分类存储、查询和删除等，能够生成文件，可以对文件自由进行操作，还可以备份数据库，实现理论上的存储无限量的数据。
通过开机后设定通讯参数、内阻的档、电压量程，正常情况下可以实现以下功能：实现串联单体电池的每个单体电池内阻的在线测量（可以在并联电源和负载的情况下进行测试）；高亮度VFD屏显示；实现对应电池电压的测量；电池内阻1%测量精度；电池电压0.02%测量精度；可通过计算机进行软件监控 ；可通过软件进行校正；可多台并联扩充路数；LCD彩色显示屏显示（预留扩充功能，电路要预留接口）；可调整交流激励源频率；可设定测量速度等。在保证质量前提下对成本控制达到最优；美观实用，操作简易方便。
实施例2，如图1和图4所示，本实施例对大于两个串接的单体电池进行在线带负载内阻测量说明，本实施例共设有1至n个单体电池，对单体电池1、n的内阻r1和rn进行测量，同理进一步得出其它各个单体电池的内阻。
激励源电路电性连接于待测的两个单体电池1和n之间和电池端，同时与两个单体电池1和n构成回路，并同时对所述单体电池1和n施加两次交流信号；
本实施例模数转换单元通过信号检测单元分别电性连接待测的单体电池1、n端，检测和转换两个单体电池端的响应电压V11、Vn1、V12、Vn2，还同时电性连接检测和转换两个单体电池之间激励源电路前后两次的电流Iy1、Iy2，电池端电流Ix1、Iz1、Ix2和Iz2，还检测和转换电流和响应电压之间的相位a、b、c和d，通过数字信号处理单元进行相位差值计算；
所述内阻测量方法包括以下步骤：对两个串接的单体电池的内阻r1、rn进行内阻测量，数字信号处理单元控制激励源电路的Y端分别输出交流信号至两个单体电池1、n之间，并分别通过X和Z端和一个单体电池构成回路后对回路前后施加两次交流信号，模数转换单元通过信号检测单元检测第一次施加交流信号后的单体电池1、n响应电压V11、Vn1，电流Iy1、Ix1、Iz1， V11与Iy1之间的相位a，Vn1与Iy1之间的相位b；检测第二次施加交流信号后的单体电池响应电压V12、Vn2，电流Iy2、Ix2、Iz2，V12与Iy2之间的相位c，Vn2与Iy2之间的相位d，且对所述待测的两个单体电池1和n两次同时施加交流信号所测得的电池端的电流信号需满足Ix1/Iz1≠Ix2/Iz2；将上述值送至数字信号处理单元演算出内阻r1，具体公式为
r1=【Vn22 * V11 * Iy1 * cos（a）-Vn2 * V11 * V11 * Vn1 * Iy1 * cos（a+d-b）-Vn1 * V12 * Vn2 * Iy1 * cos（b+c-d）+V12 * Vn12 * Iy2 * cos（c）】/（Vn2 * Iy1）2+（Vn1*Iy2）2- 2 * Vn2 * Iy1 * Vn1 * Iy2 * cos（b-d）
同理，可以演算出内阻rn及其它单体电池的内阻。

Claims (9)

1.一种在线电池内阻测量装置，适用于在线测量电池中的单体电池内阻，其特征在于所述测量装置包括：
一激励源电路，电性连接于待测的任意两个单体电池之间和电池端、分别或同时与两个单体电池构成回路，通过激励源电路对所述回路中的单体电池分别或同时施加两次交流信号；
一模数转换单元，分别电性连接待测的两个单体电池端，检测和转换单体电池端的响应电压，且同时电性连接与两个单体电池构成的回路，检测和转换回路中的电流，还检测和转换电流和响应电压之间的相位值； 
一数字信号处理单元，电性连接于模数转换单元，接收所述模数转换单元的转换信号后，演算出待测单体电池的内阻值；数字信号处理单元也发出信号控制激励源电路施加两次交流信号。
2.根据权利要求1所述的一种在线电池内阻测量装置，其特征在于：电池为一个单体电池或两个以上串接的单体电池，当只有一个单体电池时，串接电阻与一个单体电池等效成两个单体电池。
3.根据权利要求1所述的一种在线电池内阻测量装置，其特征在于：该装置还包括显示通信单元，数字信号处理单元与显示通信单元进行相互信息传递。
4.根据权利要求3所述的一种在线电池内阻测量装置，其特征在于：所述的显示通信单元包括显示屏、CPU处理器以及RS232/RS485通讯模块。
5.根据权利要求1所述的一种在线电池内阻测量装置，其特征在于：模数转换单元包括信号检测单元，检测响应电压和电流信号，信号检测单元包括一高通滤波模块。
6.一种在线电池内阻测量装置的测量方法，其特征在于，所述内阻测量方法包括以下步骤：
对一个单体电池或两个以上串接的单体电池进行在线的单体电池内阻测量；
当只有一个单体电池时，串接电阻构成等效的两个串接的单体电池；
通过接线连接，使激励源电路电性连接于任意待测的两个单体电池之间和电池端、分别或同时与待测的两个单体电池构成回路，且分别或同时对所述单体电池施加两次交流信号；
通过模数转换单元分别电性连接待测的两个单体电池端，检测和转换两个单体电池端的响应电压，还同时电性连接两个单体电池之间和电池端、分别或同时与待测的两个单体电池构成回路，检测和转换回路中的电流，及还检测和转换电流和响应电压之间的相位值；
通过数字信号处理单元电性连接于模数转换单元，接收所述模数转换单元的转换信号后，演算出待测的两个单体电池的内阻值；数字信号处理单元也发出信号控制激励源电路对回路施加交流信号。
7.根据权利要求6所述的一种在线电池内阻测量装置的内阻测量方法，其特征在于：分别与两个单体电池构成回路的内阻演算公式为：
 r1=【V222 * V11 * Iy1 * cos（a）-V22 * V11 * V11 * V21 * Iy1 * cos（a+d-b）-V21 * V12 * V22 * Iy1 * cos（b+c-d）+V12 * V212 * Iy2 * cos（c）】/（V22 * Iy1）2+（V21*Iy2）2- 2 * V22 * Iy1 * V21 * Iy2 * cos（b-d）
同理演算求得r2
其中，设两个串接的单体电池的内阻分别为r1、r2，分别对所述单体电池施加两次交流信号，第一次施加交流信号后的单体电池响应电压V11、V21，电流Iy1， V11与Iy1之间的相位a，V21与Iy1之间的相位b；第二次施加交流信号后的单体电池响应电压V22、V12，电流Iy2，V12与Iy2之间的相位c，V22与Iy2之间的相位d。
8.根据权利要求6所述的一种在线电池内阻测量装置的内阻测量方法，其特征在于：同时与两个单体电池构成回路的内阻演算公式为：
r1=【Vn22 * V11 * Iy1 * cos（a）-Vn2 * V11 * V11 * Vn1 * Iy1 * cos（a+d-b）-Vn1 * V12 * Vn2 * Iy1 * cos（b+c-d）+V12 * Vn12 * Iy2 * cos（c）】/（Vn2 * Iy1）2+（Vn1*Iy2）2- 2 * Vn2 * Iy1 * Vn1 * Iy2 * cos（b-d）
同理演算求得rn
其中，设两个以上待测的其中任意两个串接的单体电池的内阻分别为r1、rn，同时对所述单体电池施加两次交流信号，第一次施加交流信号后的单体电池响应电压V11、Vn1，电流Iy1， V11与Iy1之间的相位a，Vn1与Iy1之间的相位b；第二次施加交流信号后的单体电池响应电压Vn2、V12，电流Iy2，V12与Iy2之间的相位c，Vn2与Iy2之间的相位d。
9.根据权利要求8所述的一种在线电池内阻测量装置的内阻测量方法，其特征在于：对同时与待测的两个单体电池构成回路，施加两次交流信号在电池端所测得的电流信号需满足Ix1/Iz1≠Ix2/Iz2
其中，设第一次施加交流信号后的电池端电流Ix1、Iz1，第二次施加交流信号后的电池端电流Ix2、Iz2。
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