CN105548725A - 超级电容器在线检测装置及基于该装置检测内阻的方法 - Google Patents

Abstract

超级电容器在线检测装置及基于该装置检测内阻的方法，涉及电池检测领域。满足了对测量范围大、测量准确度高、稳定性好、速度快和使用方便的超级电容器在线检测装置及方法的需求。交流信号发生器发出一个正弦波信号，该信号经交流电流取样电路取样、交流电流反馈调节单元调节后再经交流电流功率放大器放大后加载在超级电容器的两端并形成电压信号，该电压信号经过电压隔离放大电路放大后与交流信号发生器输出的正弦波信号经模拟乘法器进行乘法运算后，再经低通滤波器滤波、直流放大器放大及A/D转换器进行模数转换后输入至中央处理器，经中央处理器进行除法运算后获得超级电容器的阻值，并显示在键盘及显示电路上。它适用于测量其他电池的内阻。

Description

超级电容器在线检测装置及基于该装置检测内阻的方法

技术领域

本发明涉及电池检测领域。

背景技术

超级电容作为电源系统停电时的备用电源，已广泛的应用于工业生产、交通、通信等行业。如果超级电容失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对超级电容的运行参数进行全面的在线监测。超级电容状态的重要标志之一就是它的内阻。无论是超级电容即将失效、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。因此可以通过测量超级电容内阻，对其工作状态进行评估。

现在市场上对超级电容器的单个性能进行测试的测试仪，其精度较低且速度也慢且现有的测试平台大都是对单体电容量或者只是对内阻进行测试，而且测量值也只是区间式的，做不到全面的参数测试，测试速度也难以满足要求。因此，如何设计一种能够对对超级电容器的参数做出全面的测试，且测量范围大、测量准确度高、稳定性好、速度快和使用方便的超级电容器在线检测装置是十分必要的。

发明内容

本发明为了满足对测量范围大、测量准确度高、稳定性好、速度快和使用方便的超级电容器在线检测装置及方法的需求，提出了超级电容器在线检测装置及基于该装置检测内阻的方法。

超级电容器在线检测装置，它包括超级电容器3；它还包括交流信号发生器1、交流电流功率放大器2、电压隔离放大电路4、模拟乘法器5、低通滤波器6、直流放大器7、A/D转换器8、中央处理器9、键盘与显示电路10、交流电流取样电路11和交流电流反馈调节单元12；

交流信号发生器1的信号输出端同时连接交流电流功率放大器2的信号输入端和模拟乘法器5的一个乘法信号输入端；交流电流功率放大器2的取样信号输出端连接交流电流取样电路11的取样信号输入端；交流电流取样电路11的取样信号输出端连接交流电流反馈调节单元12的取样信号输入端；交流电流反馈调节单元12的反馈信号输出端连接交流信号发生器1的反馈信号输入端；

交流电流功率放大器2的功放输出端连接超级电容器3的信号输入端；超级电容器3的电压信号输出端连接电压隔离放大电路4的输入端；电压隔离放大电路4的电压放大信号输出端连接模拟乘法器5的另一个乘法信号输入端；

模拟乘法器5的信号输出端连接低通滤波器6的滤波信号输入端；低通滤波器6的滤波信号输出端连接直流放大器7的放大信号输入端；直流放大器7的放大信号输出端连接A/D转换器8的信号输入端；A/D转换器8的信号输出端连接中央处理器9的信号输入端；

键盘与显示电路10的显示信号输入端连接中央处理器9的显示信号输出端。

基于超级电容器在线检测装置检测内阻的方法，该检测内阻的方法为：

交流信号发生器1输出的正弦波信号为：

u₁(ωt)＝Acosωt(1)

该正弦交流电流经由交流电流取样电路11取样、交流电流反馈调节单元12反馈、交流电流功率放大器2放大后加载在超级电容器3两端的相应信号为：

u₂(ωt)＝Bcos(ωt+θ)(2)其中，θ为注入储能用超级电容器的交流和其两端信号的相位差，ω为正弦波信号的角频率；t为时间；A为和B均为信号幅值；

通过正弦波信号输入至模拟乘法器5，超级电容器3两端的相应信号经过电压隔离放大电路4后输入至模拟乘法器5，经模拟乘法器5进行乘法运算后获得运算结果：

u(ωt)＝k×u₁(ωt)×u₂(ωt)＝kABcosωt×cos(ωt+θ)＝0.5kAB[cosθ+cos(2ωt+θ)](3)

其中，k为模拟乘法器的放大系数；

模拟乘法器5进行乘法运算后获得的运算结果经过低通滤波器6滤过后滤掉公式(3)中的交流成分，再经过直流放大器7放大、A/D转换器8进行模数转换后得到：

u＝0.5kABcosθ(4)又根据交流法测内阻原理得：

$R=\frac{Bcos\mathrm{\θ}}{I}---\left(5\right)$

其中，I为交流恒流源信号的最大值；

中央处理器9中，将公式(5)带入公式(4)中可得内阻R为：

$R=\frac{2u}{kAI}---\left(6\right)$

公式(6)中，k、A、I都是已知量，u为经低通滤波器6滤除交流成分后获得的电压值。

有益效果：本发明所述的超级电容器在线检测装置及基于该装置检测内阻的方法，通过交流信号发生器发出一个正弦波信号，该正弦波信号经交流电流取样电路取样、交流电流反馈调节单元调节后再经交流电流功率放大器放大后加载在超级电容器的两端，在超级电容器的两端形成电压信号，该电压信号经过电压隔离放大电路放大后与交流信号发生器输出的正弦波信号经模拟乘法器进行乘法运算后，再经低通滤波器滤波、直流放大器放大及A/D转换器进行模数转换后输入至中央处理器，经中央处理器进行除法运算后获得超级电容器的内阻的阻值，并显示在键盘及显示电路上。本发明通过上述过程，满足了对测量范围大、测量准确度高、稳定性好、速度快和使用方便的超级电容器在线检测装置及方法的需求。本发明还适用于测量其他电池的内阻。

附图说明

图1为超级电容器在线检测装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的超级电容器在线检测装置，它包括超级电容器3；它还包括交流信号发生器1、交流电流功率放大器2、电压隔离放大电路4、模拟乘法器5、低通滤波器6、直流放大器7、A/D转换器8、中央处理器9、键盘与显示电路10、交流电流取样电路11和交流电流反馈调节单元12；

交流信号发生器1的信号输出端同时连接交流电流功率放大器2的信号输入端和模拟乘法器5的一个乘法信号输入端；交流电流功率放大器2的取样信号输出端连接交流电流取样电路11的取样信号输入端；交流电流取样电路11的取样信号输出端连接交流电流反馈调节单元12的取样信号输入端；交流电流反馈调节单元12的反馈信号输出端连接交流信号发生器1的反馈信号输入端；

交流电流功率放大器2的功放输出端连接超级电容器3的信号输入端；超级电容器3的电压信号输出端连接电压隔离放大电路4的输入端；电压隔离放大电路4的电压放大信号输出端连接模拟乘法器5的另一个乘法信号输入端；

模拟乘法器5的信号输出端连接低通滤波器6的滤波信号输入端；低通滤波器6的滤波信号输出端连接直流放大器7的放大信号输入端；直流放大器7的放大信号输出端连接A/D转换器8的信号输入端；A/D转换器8的信号输出端连接中央处理器9的信号输入端。

本实施方式所述的超级电容器在线检测装置，其工作原理为：该装置内部的交流信号发生器1产生一个频率稳定、对称、失真度低的正弦波信号，该正弦波信号输入至交流电流功率放大器2内进行功率放大后输出正弦交流电流；该正弦交流电流经由交流电流取样电路11取样、交流电流反馈调节单元12反馈后输入至交流信号发生器1，实现调节交流信号发生器1输出的正弦波信号输出电流的大小，进而使交流电流功率放大器2输出的电流保持稳定的目的。经过取样和反馈以后，交流电流功率放大器2输出的电流称为稳定电流，且为1KHz。该部分为一个闭环控制系统，属于电流负反馈电路。

所述稳定电流加载在充电的蓄电池3的两端，在超级电容器3的两端产生电压，该电压经过电压隔离放大电路4隔离放大后输入至模拟乘法器5；交流信号发生器1输出的正弦波信号也输入至模拟乘法器5；在模拟乘法器5内部进行乘法运算后，该运算结果经低通滤波器6滤波、直流放大器7放大、AD转换器8进行模数转换后输入至中央处理器9，经中央处理器进行处理后获得超级电容器的内阻的阻值。

本发明所述的超级电容器在线检测装置，通过上述工作过程实现了测量精度高的需求，另外，该装置的适用范围比较宽。键盘与显示电路10用于显示经过中央处理器9处理后获得的超级电容器的内阻的阻值的大小。

超级电容器是一种具有高功率密度的新型储能元器件，是介于传统电容器和充电电池之间的一种新型储能装置，具有几百甚至上千的容量，与传统电容器相比，具有较大的容量、较高的能量、较宽的工作温度范围及极长的使用寿命。而与蓄电池相比，它又具有较高的比功率，且对环境无污染，因此可以说,超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置。其在混合动力电动车、脉冲电源系统和应急电源等领域具有广泛的应用前景。

随着超级电容器应用的推广，对于其性能的要求也越来越高。在这种背景下依然要求对超级电容器的特性进行深入的研究,以便提高其性能。通过超级电容器测试系统可以得到电容的技术数据与工作特性供电容串并联参考。同时超级电容器的基础研究也离不开测试系统,通过单体测试可以更加深入的了解单体性能,对其建模有很大的指导意义。

具体实施方式二、基于实施方式一所述的超级电容器在线检测装置检测内阻的方法，本实施方式中，该检测内阻的方法为：

交流信号发生器1输出的正弦波信号为：

u₁(ωt)＝Acosωt(1)

该正弦交流电流经由交流电流取样电路11取样、交流电流反馈调节单元12反馈、交流电流功率放大器2放大后加载在超级电容器3两端的相应信号为：

u₂(ωt)＝Bcos(ωt+θ)(2)其中，θ为注入储能用超级电容器的交流和其两端信号的相位差，ω为正弦波信号的角频率；t为时间；A为和B均为信号幅值；

通过正弦波信号输入至模拟乘法器5，超级电容器3两端的相应信号经过电压隔离放大电路4后输入至模拟乘法器5，经模拟乘法器5进行乘法运算后获得运算结果：

u(ωt)＝k×u₁(ωt)×u₂(ωt)＝kABcosωt×cos(ωt+θ)＝0.5kAB[cosθ+cos(2ωt+θ)](3)

其中，k为模拟乘法器的放大系数；

模拟乘法器5进行乘法运算后获得的运算结果经过低通滤波器6滤过后滤掉公式(3)中的交流成分，再经过直流放大器7放大、A/D转换器8进行模数转换后得到：

u＝0.5kABcosθ(4)又根据交流法测内阻原理得：

$R=\frac{Bcos\mathrm{\θ}}{I}---\left(5\right)$

其中，I为交流恒流源信号的最大值；

中央处理器9中，将公式(5)带入公式(4)中可得内阻R为：

$R=\frac{2u}{kAI}---\left(6\right)$

公式(6)中，k、A、I都是已知量，u为经低通滤波器6滤除交流成分后获得的电压值。

本实施方式记载了一种检测内阻的方法。对超级电容器进行内阻检测，以其内阻为判断储能超级电容器的质量及其使用寿命的理论依据。

超级电容器的内阻检测原理为：使用交流电流加到被测的超级电容器(蓄电池)上，通过测量被测电池的电压和相位计算出被测电池的内阻。

该方法采用交流恒流电流源，此电流源稳定性和准确度极高，同时使用模拟乘法器、低通滤波、直流放大、A/D转换等技术，使最后内阻测量转换为对直流电压的测量。测量工作原理图如图1所示。

交流信号发生器1产生一个正弦波信号，该正弦波信号输入至模拟乘法器5，同时，该正弦波信号经交流电流功率放大器2进行功率放大后输出正弦交流电流；该正弦交流电流经由交流电流取样电路11取样、交流电流反馈调节单元12反馈后输入至交流信号发生器1，通过反馈调节使交流电流功率放大器2输出稳定电流；该稳定电流加载在超级电容器3的两端并产生电压，该电压经过电压隔离放大电路4隔离放大后输入至模拟乘法器5；模拟乘法器5对正弦波信号和经电压隔离放大电路4进行隔离放大后的电压进行乘法运算，该运算结果经低通滤波器6滤波、直流放大器7放大和AD转换器8进行模数转换后输入至中央处理器9，经中央处理器9进行除法运算后获得超级电容器的内阻的阻值。

基于超级电容器在线检测装置检测内阻的方法，与现有技术相比，该处理方法的适用范围广，测量精度高，对超级电容的损害小，可以对超级电容进行安全的在线监测管理。同时不需要进行交流采样和求解余弦函数，就能求出超级电容的内阻值。这简化了交流注入法中需要对超级电容两端交流电压和相位差进行测量的软硬件的复杂程度。

该方法满足了超级电容检测的要求，取得了较好的实用效果，完成了对铅酸超级电容的性能检测和故障诊断。为超级电容的在线检测提供了一种实用的方法。

其技术特点是采用交流恒流电流源，此电流源稳定性和准确度极高，同时使用模拟乘法器及相关技术，使得最后内阻测量变成对直流电压的测量，准确度高、稳定性好、使用操作方便。

具体实施方式三、本实施方式是对实施方式二所述的基于超级电容器在线检测装置检测内阻的方法的进一步说明，本实施方式中，该方法的内阻测量范围为0.01mΩ-1999Ω。

该方法的内阻测量范围的准确度为±1.0％rdg±5dgt。

具体实施方式四、本实施方式是对实施方式二所述的基于超级电容器在线检测装置检测内阻的方法的进一步说明，本实施方式中，该方法的电压测量范围2.3V-12V。

该方法的电压测量范围的准确度为±0.2％rdg±5dgt。

本发明装置主要包括交流信号发生器、交流电流功率放大器、电压隔离放大电路、模拟乘法器、低通滤波器、直流放大器、A/D转换器、中央处理器、交流电流取样电路和交流电流反馈调节单元，主要是使用交流电流加到被测超级电容器两端，通过测量被测超级电容器两端的交流电压信号和相位差计算出被测超级电容器的等效内阻。

由于超级电容内阻为毫欧级，因此采用常规的两端子测量方法测量误差较大，在此采用四端子测量方式。

Claims (4)

1.超级电容器在线检测装置，它包括超级电容器(3)；其特征在于，它还包括交流信号发生器(1)、交流电流功率放大器(2)、电压隔离放大电路(4)、模拟乘法器(5)、低通滤波器(6)、直流放大器(7)、A/D转换器(8)、中央处理器(9)、键盘与显示电路(10)、交流电流取样电路(11)和交流电流反馈调节单元(12)；

交流信号发生器(1)的信号输出端同时连接交流电流功率放大器(2)的信号输入端和模拟乘法器(5)的一个乘法信号输入端；交流电流功率放大器(2)的取样信号输出端连接交流电流取样电路(11)的取样信号输入端；交流电流取样电路(11)的取样信号输出端连接交流电流反馈调节单元(12)的取样信号输入端；交流电流反馈调节单元(12)的反馈信号输出端连接交流信号发生器(1)的反馈信号输入端；

交流电流功率放大器(2)的功放输出端连接超级电容器(3)的信号输入端；超级电容器(3)的电压信号输出端连接电压隔离放大电路(4)的输入端；电压隔离放大电路(4)的电压放大信号输出端连接模拟乘法器(5)的另一个乘法信号输入端；

模拟乘法器(5)的信号输出端连接低通滤波器(6)的滤波信号输入端；低通滤波器(6)的滤波信号输出端连接直流放大器(7)的放大信号输入端；直流放大器(7)的放大信号输出端连接A/D转换器(8)的信号输入端；A/D转换器(8)的信号输出端连接中央处理器(9)的信号输入端；

键盘与显示电路(10)的显示信号输入端连接中央处理器(9)的显示信号输出端。

2.基于权利要求1所述的超级电容器在线检测装置检测内阻的方法，其特征在于，该检测内阻的方法为：

交流信号发生器(1)输出的正弦波信号为：

u₁(ωt)＝Acosωt(1)

该正弦交流电流经由交流电流取样电路(11)取样、交流电流反馈调节单元(12)反馈、交流电流功率放大器(2)放大后加载在超级电容器(3)两端的相应信号为：

u₂(ωt)＝Bcos(ωt+θ)(2)

其中，θ为注入储能用超级电容器的交流和其两端信号的相位差，ω为正弦波信号的角频率；t为时间；A为和B均为信号幅值；

通过正弦波信号输入至模拟乘法器(5)，超级电容器(3)两端的相应信号经过电压隔离放大电路(4)后输入至模拟乘法器(5)，经模拟乘法器(5)进行乘法运算后获得运算结果：

u(ωt)＝k×u₁(ωt)×u₂(ωt)＝kABcosωt×cos(ωt+θ)＝0.5kAB[cosθ+cos(2ωt+θ)]

(3)

其中，k为模拟乘法器的放大系数；

模拟乘法器(5)进行乘法运算后获得的运算结果经过低通滤波器(6)滤过后滤掉公式(3)中的交流成分，再经过直流放大器(7)放大、A/D转换器(8)进行模数转换后得到：

u＝0.5kABcosθ(4)

又根据交流法测内阻原理得：

$R=\frac{Bcos\mathrm{\θ}}{I}---\left(5\right)$

其中，I为交流恒流源信号的最大值；

中央处理器(9)中，将公式(5)带入公式(4)中可得内阻R为：

$R=\frac{2u}{kAI}---\left(6\right)$

公式(6)中，k、A、I都是已知量，u为经低通滤波器(6)滤除交流成分后获得的电压值。

3.根据权利要求2所述的基于超级电容器在线检测装置检测内阻的方法，其特征在于，该方法的内阻测量范围为0.01mΩ-1999Ω。

4.根据权利要求2所述的基于超级电容器在线检测装置检测内阻的方法，其特征在于，该方法的电压测量范围2.3V-12V。