CN105676141A - 一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统及其测量方法，其利用电感、电容、待测电池的等效内阻构成一个RLC振荡电路；控制处理器控制开关管的通断，使得电感充放电，在RLC电路中产生阻尼振荡波形；通过一个差分放大电路采集该波形，经过AD转换模块，再由控制处理器计算其衰减系数，因衰减系数与电感及等效内阻有关，而电感可以在线测量得到其精确值，从而计算得内阻。本发明利用该系统可事先获得电池内阻与剩余容量的对照表，而将测得的电池内阻与已知表格对比，即得电池容量，由显示模块输出最终结果。本发明所采用的检测电路结构简单，且测量过程中对蓄电池无损耗，使用方便安全。

Description

一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统及其测量方法

技术领域

本发明属于电池性能在线测量技术领域，具体涉及一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统及其测量方法。

背景技术

蓄电池作为一种可重复利用的储能装置，在人们的生产生活中有着广泛应用，而及时获得电池的容量状态对于保障设备的正常运转有重要意义。迄今为止，蓄电池电池容量的检测方法主要有以下几种：

(1)核对放电法；即100％C的深度放电，虽然其有测试结果准确可靠的优点，缺点也很突出，比如：①放电时间长，风险大，蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉，既浪费了电能又费时费力，效率低；②电池组须脱离系统，需要备用电池组；③核对放电只能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量,而其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来；④蓄电池全深度循环放电的次数是有限的，因为对蓄电池频繁进行深度放电测量有损电池容量与使用寿命。

(2)检测电解液密度法；蓄电池的剩余容量与其电解液密度有一定的关系，因而可通过测其电解液密度确定剩余容量。其缺点是在蓄电池使用后期，由于极板的腐蚀、断筋，导致其内部电解液各物质密度跟电池制造时的配制比例发生较大差异，由此很难找到合适的关系推算电池容量。

(3)恒电流放电法；即以恒定电流放电，记录电池端电压下降到规定值时的放电小时数，恒定电流值与放电时间长度的乘积即为电池的保有容量。其缺点是作业时间长、工作量大、需要备份电池，而且相关检测设备体积较大，难以在现场移动使用。

(4)放电电压分析法；蓄电池施加负载让其放电工作，测量电池端电压的变化，根据变化率的大小推算剩余电量。其缺点是电池端电压随剩余容量变化较小，且是非线性变化的，因此难以保证测量精度。

(5)测量内阻法；研究表明，蓄电池容量与内阻有着紧密联系，能准确反映电池当前的荷电状态。因而通过测量蓄电池的内阻来推算其容量的方法现在也被广泛应用。其实现手段主要有以下三种：

①直流放电法；即对蓄电池进行瞬间大电流放电，然后测量电池两端的瞬间压降。其缺点是电池组必须脱离系统，无法在线测量，而且瞬间大电流放电会对电池组造成较大冲击，影响电池使用。

②交流阻抗法；以小幅值的正弦波电流或者电压信号作为激励源，注入蓄电池，通过测定其响应信号来推算电池内阻。优点是可在线测量且对电池性能基本无影响。缺点是产生稳定激励信号以及准确获取电路响应信号的装置都比较复杂，实际操作上较为困难。公开号为CN201210342103的中国专利即基于该阻抗法提出了一种铅酸蓄电池性能在线检测系统，但是该电路需要外加直流源与电池电压相匹配，实际操作上比较复杂。

③衰减振荡法；即利用RLC电路的衰减振荡波形的特征来求出电池的内阻值。其具有与交流阻抗法相同的优点，且实现装置比交流阻抗法简单。专利号为ZL201110440878.3的中国专利即基于此提出了利用RLC电路衰减振荡波形非接触测量热敏电阻的方法，类似方法也可以用于测量电池内阻。

由此可见，无论是研究蓄电池放电时的端电压特性，还是研究蓄电池的内部作用机理，都无法准确地测出蓄电池的剩余容量。深度放电虽然精度较高，但由于其消耗高，工作量大等固有缺点也只适用于作为电池组以几年一度的测试，不能用于日常监测。通过测量蓄电池的内阻来测量其容量的方法是一种优点相对突出和可行的方法，但在如何实现上目前还存在较大的改进空间。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统及其测量方法，能够简化测量方法，且过程中没有对蓄电池进行大电流充放电，对电池无损耗。

一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统，包括：

振荡波发生电路，其利用开关管控制待测电池为电感充电，进而使电容与该电感以及待测电池的等效内阻组成RLC振荡回路；

差分放大电路，其采集RLC振荡回路所产生的阻尼振荡信号，并对该信号进行调理、整形及放大处理后输出检测电压信号；

控制处理器，其通过对所述的检测电压信号进行A/D采样并根据采样信号计算出待测电池的等效内阻，进而根据关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型确定出待测电池的剩余容量，同时为振荡波发生电路提供控制信号；

驱动电路，用于对所述的控制信号进行功率放大后驱动振荡波发生电路中的开关管。

所述的控制处理器连接有显示模块，其用于显示待测电池的剩余容量。

所述的控制处理器连接有串口通讯模块，控制处理器通过串口通讯模块将所述的检测电压信号传输给上位机。

所述的振荡波发生电路包括有开关管、电感和电容；其中，电感的一端与待测电池的正极相连，电感的另一端与开关管的一端和电容的一端相连，开关管的另一端与电容的另一端和待测电池的负极相连并接地，电容两端产生所述的阻尼振荡信号，开关管的控制极接收驱动电路提供功率放大的控制信号。

所述的控制处理器采用DSP及其自带的A/D转换模块。

所述的上位机事先通过对待测型号的电池充分完整放电一次，采用现有精确的离线测量方式检测整个放电过程中电池剩余容量的变化曲线，同时根据控制处理器提供的检测电压信号计算出整个放电过程中该电池等效内阻的变化曲线，从而拟合出关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型并通过串口通讯模块下发给控制处理器。

上述电池容量在线测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)对待测型号的电池充分完整放电一次，并采用现有精确的离线测量方式检测整个放电过程中电池剩余容量的变化曲线；

(2)利用控制处理器生成控制信号驱动振荡波发生电路中的开关管先导通后截止：导通时段内由待测型号的电池对驱动振荡波发生电路中的电感进行充电；截止时段内由电感进行放电，从而使得所述的RLC振荡回路产生阻尼振荡信号；

(3)利用差分放大电路采集所述的阻尼振荡信号，并对该信号进行调理、整形及放大处理后输出检测电压信号给控制处理器，由控制处理器将该检测电压信号经A/D采样后得到的采样信号通过串口通讯模块传输给上位机；

(4)上位机根据控制处理器提供的检测电压信号计算出整个放电过程中电池的等效内阻变化曲线，并结合电池剩余容量的变化曲线拟合出关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型并通过串口通讯模块下发给控制处理器；

(5)根据步骤(2)利用振荡波发生电路对同型号的待测电池进行检测，得到对应的阻尼振荡信号，并根据步骤(3)利用差分放大电路对该阻尼振荡信号进行同样处理后输出检测电压信号给控制处理器，利用控制处理器对该检测电压信号进行A/D采样并根据采样信号计算出待测电池的等效内阻，进而根据关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型确定出待测电池的剩余容量。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明电池容量测量系统中RLC振荡回路的振荡电阻为待测电池内阻，此电阻相对较小，因此在振荡时电压信号的衰减率比较低，可以产生较多个周期衰减的正弦信号，这也更加有利于采样芯片采集更多的离散数据点，同时也相应减小了装置的体积。

(2)本发明只需要一次完整充放电，就可以满足在线测量的要求，快速简单的测定不同频率、不同工作电流下的蓄电池内阻，从而准确计算电池容量，具有极大的应用价值。

附图说明

图1为本发明电池容量在线测量系统的结构示意图。

图2为本发明电池容量在线测量系统的电路原理示意图。

图3为电源模块的电路结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明测量系统及其测量方法进行详细说明。

如图1和图2所示，本发明基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统包括：控制处理器、驱动电路102、振荡波发生电路101、差分放大电路103、电源模块、显示模块和串口通信模块；其中：

控制处理器包括DSP和A/D转换模块，其用于系统的整体控制，即用于控制电池测试时的启动、停止、实时电压信号的处理、电池容量的计算、控制输出显示或者与上位机通信。本实施方式中控制处理器即TMS320F28035最小系统板，由电源模块输出的一路+5V为其供电，包括内置A/D采样芯片的DSP芯片TMS320F28035一只、晶振电路、JTAG接口、板载5V转3.3V降压电路。

振荡波发生电路101与驱动电路102、差分放大电路103相连，用于产生阻尼振荡信号。图2中，当开关管导通时，电容被短路，待测电池在充电回路中对电感充电；然后当开关管断开时，电感开始在RLC串联电路中放电，回路中产生阻尼振荡波形；采集电容两端的振荡信号输入差分放大模块。本实例中，振荡波发生电路101由待测电池Battery、一个标准电感L1、一个电容C1、一个场效应管Q1构成。具体实现上，待测电池Battery的负极接模拟地；电容C1与电感相连的左端作为Vin1信号端，与模拟地相连的右端作为Vin2信号端；场效应管Q1的栅极接驱动芯片的OUT端，源极接模拟地，漏极接电容C1的左端(即Vin1端)。

驱动电路102与控制处理器相连，将控制处理器提供的一路控制信号放大后输出到场效应管栅极，控制开关管导通或截止。驱动电路102由一个驱动芯片FAN3111ESX和一个电容C2构成。本实例中，采用驱动芯片FAN3111ESX，需要电源模块的一路+12V电源为其供电。具体实现上，驱动芯片FAN3111的VDD和IN+引脚都接到+12V电压上，GND引脚接数字地，XREF接控制处理器的一路控制信号；电容C2一端接驱动芯片的VDD引脚，另一端接模拟地。

差分放大电路103用于采集电容C1上阻尼振荡信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号到A/D转换模块。本实例中，差分放大电路103由一个运算放大器LMV721M5、五个电阻R1～R5、三个电容C3～C5构成。具体实现上，运放LMV721M5正电源引脚接+5V，负电源引脚接模拟地；电阻R2一端接信号Vin2，另一端接运放的反向输入引脚；电阻R1一端接信号Vin1，另一端接运放的同相输入引脚；电容C3和电阻R3并联，一端接模拟地，另一端接运放的同相输入引脚；电阻R4和电容C4并联，一端接运放的输出引脚，另一端接运放的反向输入引脚；电阻R5一端接运放的输出引脚，另一端输出一路检测电压信号Signal_out至A/D转换模块；电容C8一端接模拟地，另一端接在Signal_out端。

电源模块用于提供测量装置工作电源，以及将内部电压进行转换，输出装置中其他芯片的供电电压。电源模块由一个稳压芯片、四个电容C6～C9、一个电阻R6构成。本实例中，采用稳压芯片LM7805。具体实现上如图3所示，稳压芯片LM7805的GND引脚接模拟地，Vin引脚接+12V，Vout引脚作为+5V输出；电容C6正极接Vin引脚，负极接模拟地；电容C7一端接Vin引脚，另一端接模拟地；电容C9正极接Vout引脚，负极接模拟地；电容C8一端接Vout引脚，另一端接模拟地；模拟地与数字地通过电阻R6相连。

本实施方式电池容量测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)DSP通过驱动电路输出开关信号给开关管Q1，使得Q1导通再关断。Q1导通时，待测电池和电感L1构成充电回路，待测电池给电感L1充电；Q1关断时，待测电池内阻、电感L1、电容C1构成放电回路，回路中形成阻尼振荡信号。

(2)电容两端的阻尼振荡信号通过差分放大电路，调理整形后输入控制处理器的AD转换通道。

(3)使控制处理器通过阻尼振荡电压信号计算出RLC振荡回路中的待测电池内阻R的电阻值；其具体过程如下：

3.1利用DSP内置的A/D采样芯片对检测电压信号进行采样并截取其中N个连续的采样点X₀～X_N-1；本实施方式中N取1500，采样频率f_s为10MHZ。

3.2根据以下算式对上述N个采样点X₀～X_N-1的电压值进行时域范围内的预处理，得到各采样点的预处理电压值；

F(X_i)＝V(X_i)·V(X_N-i)

其中：F(X_i)为采样点X_i的预处理电压值，V(X_i)为采样点X_i的电压值，V(X_N-i)为采样点X_N-i的电压值，i为自然数且0≤i≤N-1。

3.3根据各采样点的预处理电压值通过以下算式进行离散傅里叶变换，计算出检测电压信号的离散傅立叶变换值Y1；离散傅立叶变换的公式如下：

$Y1=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}F\left(X_i\right)e^{-{\mathrm{jk\Ω}}_{0}i}$

其中：F(X_i)为采样点X_i的预处理电压值，Ω₀＝π/50，j为虚数，k为计算参数，本实施方式中k＝2*ROUND(Ω₁/Ω₀)，ROUND为四舍五入函数，Ω₁＝2πf/f_s，f_s为检测电压信号的采样频率，f检测电压信号的信号频率且L和C分别为振荡波发生电路101中的L₁电感值和C₁电容值，本实施方式中L＝22.4μH，C＝2.2μF。

3.4取采样点X₀之后的第m个采样点X_m，以采样点X_m为起始点从检测电压信号中截取N个连续的采样点X_m～X_N+m-1，本实施方式中m取200。

3.5根据步骤3.2和3.3，对N个采样点X_m～X_N+m-1的电压值依次进行预处理及离散傅里叶变换，计算出检测电压信号的离散傅里叶变换值Y2；具体过程如下：

首先，根据以下算式对N个采样点X_m～X_N+m-1的电压值进行时域范围内的预处理：

F(X_i+m)＝V(X_i+m)·V(X_N+m-i)

其中：F(X_i+m)为采样点X_i+m的预处理电压值，V(X_i+m)为采样点X_i+m的电压值，V(X_N+m-i)为采样点X_N+m-1的电压值。

然后，根据以下算式进行离散傅里叶变换，计算出离散傅里叶变换值Y2；

$Y2=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\Σ}}F\left(X_{i+m}\right)e^{-{\mathrm{jk\Ω}}_0(i+m)}$

其中：F(X_i+m)为采样点X_i+m的预处理电压值。

3.6根据两个离散傅里叶变换值Y1～Y2，通过以下算式计算出当前待测电池内阻值：

$R=log\left(\frac{Y1}{Y2}\right)\·\frac{m}{T}\·L$

其中：R为当前待测电池内阻值，T为检测电压信号的采样周期且T＝1/f_s。

(4)利用该测量系统可事先对待测型号电池充分放电一次，由控制处理器将所述检测电压信号通过串口通讯模块传输给上位机；上位机根据上述算法计算出整个放电过程中电池的等效内阻变化曲线，并结合电池剩余容量的变化曲线拟合出关于电池等效内阻-剩余容量的对照表，并通过串口通讯模块下发给控制处理器。其后测量中将测得的电池内阻与内部表格对比，即得电池剩余容量。

(5)通过显示模块输出最终结果。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统，其特征在于，包括：

振荡波发生电路，其利用开关管控制待测电池为电感充电，进而使电容与该电感以及待测电池的等效内阻组成RLC振荡回路；

差分放大电路，其采集RLC振荡回路所产生的阻尼振荡信号，并对该信号进行调理、整形及放大处理后输出检测电压信号；

控制处理器，其通过对所述的检测电压信号进行A/D采样并根据采样信号计算出待测电池的等效内阻，进而根据关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型确定出待测电池的剩余容量，同时为振荡波发生电路提供控制信号；

驱动电路，用于对所述的控制信号进行功率放大后驱动振荡波发生电路中的开关管。

2.根据权利要求1所述的电池容量在线测量系统，其特征在于：所述的控制处理器连接有显示模块，其用于显示待测电池的剩余容量。

3.根据权利要求1所述的电池容量在线测量系统，其特征在于：所述的控制处理器连接有串口通讯模块，控制处理器通过串口通讯模块将所述的检测电压信号传输给上位机。

4.根据权利要求1所述的电池容量在线测量系统，其特征在于：所述的振荡波发生电路包括有开关管、电感和电容；其中，电感的一端与待测电池的正极相连，电感的另一端与开关管的一端和电容的一端相连，开关管的另一端与电容的另一端和待测电池的负极相连并接地，电容两端产生所述的阻尼振荡信号，开关管的控制极接收驱动电路提供功率放大的控制信号。

5.根据权利要求1所述的电池容量在线测量系统，其特征在于：所述的控制处理器采用DSP及其自带的A/D转换模块。

6.根据权利要求1所述的电池容量在线测量系统，其特征在于：所述的上位机事先通过对待测型号的电池充分完整放电一次，采用现有精确的离线测量方式检测整个放电过程中电池剩余容量的变化曲线，同时根据控制处理器提供的检测电压信号计算出整个放电过程中该电池等效内阻的变化曲线，从而拟合出关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型并通过串口通讯模块下发给控制处理器。

7.如权利要求1～6任一权利要求所述的电池容量在线测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)对待测型号的电池充分完整放电一次，并采用现有精确的离线测量方式检测整个放电过程中电池剩余容量的变化曲线；

(2)利用控制处理器生成控制信号驱动振荡波发生电路中的开关管先导通后截止：导通时段内由待测型号的电池对驱动振荡波发生电路中的电感进行充电；截止时段内由电感进行放电，从而使得所述的RLC振荡回路产生阻尼振荡信号；

(3)利用差分放大电路采集所述的阻尼振荡信号，并对该信号进行调理、整形及放大处理后输出检测电压信号给控制处理器，由控制处理器将该检测电压信号经A/D采样后得到的采样信号通过串口通讯模块传输给上位机；

(4)上位机根据控制处理器提供的检测电压信号计算出整个放电过程中电池的等效内阻变化曲线，并结合电池剩余容量的变化曲线拟合出关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型并通过串口通讯模块下发给控制处理器；

(5)根据步骤(2)利用振荡波发生电路对同型号的待测电池进行检测，得到对应的阻尼振荡信号，并根据步骤(3)利用差分放大电路对该阻尼振荡信号进行同样处理后输出检测电压信号给控制处理器，利用控制处理器对该检测电压信号进行A/D采样并根据采样信号计算出待测电池的等效内阻，进而根据关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型确定出待测电池的剩余容量。