CN104062506A

CN104062506A - 蓄电池欧姆内阻的测量方法及装置

Info

Publication number: CN104062506A
Application number: CN201410175792.6A
Authority: CN
Inventors: 胡益民; 席志远; 刘岩; 敬刚
Original assignee: Shenzhen Juaoneng Electron Science & Technology Co Ltd; Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen Juaoneng Electron Science & Technology Co Ltd; Tsinghua University; Shenzhen Research Institute Tsinghua University
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-09-24

Abstract

一种蓄电池欧姆内阻的测量方法，包括：步骤一，对被测蓄电池施加单一频率为f的方波电流激励，蓄电池两端同时出现与频率相同的方波电压信号；步骤二，对电流激励以及蓄电池的端电压进行采样，得到离散的电流信号序列和离散的电压信号序列；步骤三，分别计算采样得到的离散的电流信号序列和离散的电压信号序列的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池的欧姆内阻。本发明涉及一种蓄电池欧姆内阻的测量装置。

Description

蓄电池欧姆内阻的测量方法及装置

技术领域

本发明涉及蓄电池的检测方法和设备，尤其涉及一种安全性较高的蓄电池欧姆内阻的测量方法及装置。

背景技术

蓄电池的荷电状态（State of Charge, SOC）是表征蓄电池充电状态的参数，定义为蓄电池的剩余容量（即电池的当前容量）与其额定容量的百分比。蓄电池用户希望随时了解电池的SOC，以便确定是可以放心使用蓄电池，还是必须对电池进行充电或者进行维护操作。

由于SOC是蓄电池的一种内在特性，无法进行直接测量，只能通过测量诸如端电压、充/放电电流等外部可测参数进行间接测量。蓄电池SOC的无损检测一直是国、内外的研究热点与难点。

常用的检测蓄电池SOC的方法主要有：放电实验法、开路电压法、模糊推理法、基于人工神经网络模型的方法、安时计量法以及内阻法。

迄今为止，内阻法是最受行业瞩目的VRLA蓄电池无损检测技术之一，并于1996年被IEEE接受为推荐性标准。其核心思想是：VRLA蓄电池作为一个动态系统，可以用等效电路模型进行表征，当蓄电池的SOC发生变化时，其等效电路模型的参数亦会相应地发生改变。已有文献研究表明，VRLA蓄电池的SOC与其等效电路模型的欧姆内阻之间存在良好的相关性，通过测量等效电路的欧姆内阻，即可得到蓄电池SOC的变化信息。

实践中，通常采用直流放电法测量蓄电池的欧姆内阻。直流放电法又分为一次放电法和二次放电法：

一次放电法首先测量蓄电池的开路电压U_OCV，然后以电流I=10~15I₁₀对电池放电，测量放电瞬间蓄电池的端电压U_t，则被测蓄电池的内阻为：。

二次放电法是 IEC 896.2-1995 提出的一种测量蓄电池内阻的方法。该方法首先以电流I₁=4~6I₁₀对电池放电不超过25s，在放电20s 时测量电池的端电压 U₁，静置2~3分钟后，再以电流I₁=20~40I₁₀对电池放电5s，随后测量蓄电池的端电压U₂，则被测蓄电池的内阻为：。

实践中，蓄电池通常用作备用电源，对蓄电池进行维护操作时，不允许脱开用电负载。而直流放电法需要以10倍于I₁₀量级的电流对被测蓄电池进行放电，因而可能对用电负载造成安全隐患。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种安全性较高的蓄电池欧姆内阻的测量方法及装置。

一种蓄电池欧姆内阻的测量方法，包括：步骤一，对被测蓄电池施加单一频率为f的方波电流激励，蓄电池两端同时出现与频率相同的方波电压信号；步骤二，对电流激励以及蓄电池的端电压进行采样，得到离散的电流信号序列和离散的电压信号序列；步骤三，分别计算采样得到的离散的电流信号序列和离散的电压信号序列的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池的欧姆内阻。

一种蓄电池欧姆内阻的测量装置，其包括控制模块、采样模块以及计算模块，所述控制模块控制交流激励源以频率f激励被测蓄电池，以产生基波频率为f的方波激励电流信号，蓄电池两端同时出现与频率相同的方波电压信号；所述采样模块对、进行采样，得到离散的电流信号序列及离散的电压信号序列；所述计算模块对所述采样模块采样得到的离散的电流信号序列及离散的电压信号序列分别计算得到相应的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池的欧姆内阻。

与现行常用的直流放电法相比，该方法无需对被测蓄电池进行大电流放电，其激励信号的产生来自对被测蓄电池的单一频率、短时、周期性、小电流放电，实际应用时不会对用电负载造成安全隐患。

附图说明

图1是本发明的蓄电池欧姆内阻的测量方法流程示意图。

图2为本发明的蓄电池欧姆内阻的测量装置结构示意图。

主要元件符号说明

控制模块	10
		开关模块	20
激励源	30
		蓄电池	40
采样模块	50
		计算模块	60
显示模块	70
		信号传感及调理模块	45
测量装置	100
		输入耦合模块	451
仪用放大器模块	452
		低通滤波模块	453
直流耦合模块	4511
		交流耦合模块	4512

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

本案测量蓄电池内阻的基本原理为:

对于小信号而言，当一小幅值频率为f的正弦激励电流流过蓄电池，则在蓄电池的端电压中会出现与该正弦激励电流信号同频率的正弦电压信号。

假定该正弦激励电流信号为:

(1)

式中，I、( 分别为其幅值与相位。则与该正弦激励电流信号同频率的正弦电压信号为：

(2)

式中，U为幅值，(为u(t)与i(t)之间的相位差。则根据欧姆定律，蓄电池在频率f时的内部阻抗为：

(3)

式（3）表明：被测蓄电池的内部阻抗，即为响应电压与激励电流二者的基波傅立叶系数的比值。

基于上述基本原理，请参见图1，本案提出了一种安全性较高的蓄电池40欧姆内阻的测量方法，包括如下基本步骤：

步骤一，对被测蓄电池40施加单一频率为f的方波电流激励，蓄电池的两端同时出现与频率相同的方波电压信号。

步骤二，对电流激励以及被测蓄电池40的端电压进行采样，得到离散的电流信号序列和离散的电压信号序列。

优选地，可对该电流激励、该端电压进行传感和调理后再对其进行采样，以进一步提高测量的精度。该传感和调理的过程包括交流/直流耦合输入、差分放大以及滤波的过程。

步骤三，分别计算采样得到的离散的电流信号序列和离散的电压信号序列的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池的欧姆内阻。

具体地，首先，对采样得到的离散时间序列信号和，分别作离散傅立叶变换（DFT）得到相应的傅里叶系数为：

(4)

式中，、分别为离散的时间序列电流信号与离散的时间序列电压信号对应的傅立叶系数，N为信号序列长度，n取值，k取值，则根据欧姆定律，蓄电池的各次谐波阻抗为：

(5)

式中，f为方波激励电流的基波频率，m为谐波次数编号，为蓄电池的第m次谐波阻抗，f_s为采样频率。

其次，对得到的各次谐波阻抗进行数值拟合得到阻抗随频率的变化关系，计算得到阻抗虚部为0时的阻抗值即为被测蓄电池的欧姆内阻。优选地，本步骤中采用最小二乘法对各次谐波阻抗进行数值拟合。

请参见图2，本发明还提供一种蓄电池欧姆内阻的测量装置100，其包括控制模块10、采样模块50以及计算模块60。

所述控制模块10控制交流激励源30以频率f激励被测蓄电池，以产生基波频率为f的方波激励电流信号，蓄电池的两端同时出现与频率相同的方波电压信号。本实施例中，所述控制模块10通过一开关模块20来控制交流激励源。该开关模块20优选为MOSFET、BJT、IGBT等半导体功率器件或其组合。

采样模块50对、进行采样，得到离散的电流信号序列及离散的电压信号序列。

计算模块60对采样模块50采样得到的离散的电流信号序列及离散的电压信号序列分别计算出相应的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池40的欧姆内阻。

具体地，所述计算模块60依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到各次谐波的阻抗值，并根据各次谐波的阻抗值计算得到被测电池的欧姆内阻。优选地，该计算模块60采用最小二乘法对各次谐波阻抗值进行数值拟合得到阻抗随频率的变化关系，并计算得到阻抗虚部为零时的阻抗值即为被测蓄电池40的欧姆内阻。

为了进一步提高测量的精度，所述蓄电池40欧姆内阻的测量装置100还可包括信号传感及调理模块45。所述信号传感及调理模块45在上述采样模块50采样之前分别完成对电流信号及电压信号的传感和调理，以得到、。采样模块50对、采样，得到离散电流信号序列及离散电压信号序列。计算模块60对采样模块50采样得到的离散的电流信号序列及离散的电压信号序列分别计算得到相应的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池40的欧姆内阻。计算模块60对蓄电池40欧姆内阻的计算方式如上所述，此处不再赘述。

所述信号传感及调理模块45包括输入耦合模块451、仪用放大器模块452以及低通滤波模块453，以分别实现对电流信号及电压信号的耦合传输、差分放大以及滤波。所述输入耦合模块451进一步包括直流耦合模块4511以及交流耦合模块4512。当针对标称电压较低的蓄电池40（如2V的VRLA电池单体）进行测量时，该输入耦合模块451切换为采用直流耦合模块4511。当针对标称电压较高的蓄电池40电压（如12V的UPS电池）进行测量时，该输入耦合模块451切换为采用交流耦合模块4512。

当然，为了进一步将该测量得到的蓄电池40的欧姆内阻显示出来，所述测量装置100还可包括一显示模块70，该显示模块70将该测量得到的欧姆内阻直接显示出来以方便读数。

与现行常用的直流放电法相比，该方法无需对被测蓄电池进行大电流放电，其激励信号的产生来自对被测蓄电池的单一频率、短时、周期性、小电流放电，实际应用时不会对用电负载造成安全隐患。而且，采用本发明的测量方法，仅需要单一频率的激励信号单次测量即可测得蓄电池的欧姆内阻，无需经过多次不同频率激励源信号的激励，提高了测量的效率。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种蓄电池欧姆内阻的测量方法，包括：步骤一，对被测蓄电池施加单一频率为f的方波电流激励，蓄电池两端同时出现与频率相同的方波电压信号；步骤二，对电流激励以及蓄电池的端电压进行采样，得到离散的电流信号序列和离散的电压信号序列；步骤三，分别计算采样得到的离散的电流信号序列和离散的电压信号序列的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池的欧姆内阻。

2.如权利要求1所述的蓄电池欧姆内阻的测量方法，其特征在于：步骤三包括对采样得到的离散时间序列信号和，分别作离散傅立叶变换（DFT）得到相应的傅里叶系数为：

式中，、分别为离散的时间序列电流信号与离散的时间序列电压信号对应的傅立叶系数，N为信号序列长度，n取值，k取值，蓄电池的各次谐波阻抗为：

式中，f为方波激励电流的基波频率，m为谐波次数编号，为蓄电池的第m次谐波阻抗，f_s为采样频率；以及

对各次谐波阻抗进行数值拟合得到阻抗随频率的变化关系，并计算得到阻抗虚部为0时的阻抗值即为被测蓄电池的欧姆内阻。

3.如权利要求2所述的蓄电池欧姆内阻的测量方法，其特征在于：采用最小二乘法对各次谐波阻抗进行数值拟合。

4.如权利要求1所述的蓄电池欧姆内阻的测量方法，其特征在于：还包括对所述电流激励、所述端电压进行交流/直流耦合输入、差分放大以及滤波后再对其进行采样及计算。

5.一种蓄电池欧姆内阻的测量装置，其包括控制模块、采样模块以及计算模块，其特征在于：所述控制模块控制交流激励源以频率f激励被测蓄电池，以产生基波频率为f的方波激励电流信号，蓄电池两端同时出现与频率相同的方波电压信号；所述采样模块对、进行采样，得到离散的电流信号序列及离散的电压信号序列；所述计算模块对所述采样模块采样得到的离散的电流信号序列及离散的电压信号序列分别计算得到相应的各次谐波的傅里叶系数，并依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到蓄电池的欧姆内阻。

6.如权利要求5所述的蓄电池欧姆内阻的测量装置，其特征在于：还包括一开关模块，所述控制模块通过所述开关模块控制交流激励源，所述开关模块为MOSFET、BJT、IGBT半导体功率器件或其组合。

7.如权利要求5所述的蓄电池欧姆内阻的测量装置，其特征在于：所述计算模块依据计算得到的各次谐波的傅里叶系数计算得到各次谐波的阻抗值，对各次谐波阻抗值进行数值拟合得到阻抗随频率的变化关系，并计算得到阻抗虚部为零时的阻抗值即为被测蓄电池的欧姆内阻。

8.如权利要求7所述的蓄电池欧姆内阻的测量装置，其特征在于：所述计算模块采用最小二乘法对各次谐波阻抗值进行数值拟合得到阻抗随频率的变化关系。

9.如权利要求5所述的蓄电池欧姆内阻的测量装置，其特征在于：还包括信号传感及调理模块，所述信号传感及调理模块在采样模块采样之前分别完成对电流信号及电压信号的传感和调理，所述信号传感及调理模块包括输入耦合模块、仪用放大器模块以及低通滤波模块。

10.如权利要求5所述的蓄电池欧姆内阻的测量装置，其特征在于：还包括用以显示蓄电池欧姆内阻的显示模块。