CN106093799A - 一种配电终端电池性能的精确测量系统及方法 - Google Patents

一种配电终端电池性能的精确测量系统及方法 Download PDF

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吴攀
王永生
范志杰
王科龙
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    • G01R31/386—Arrangements for measuring battery or accumulator variables using test-loads

Abstract

本发明公开了一种配电终端电池性能的精确测量系统及方法，该系统包括：正弦交流电流源、第一隔直电容、电压采样单元、A/D转换单元、D/A转换单元、继电器、电子负载及控制器，控制器通过D/A转换单元与正弦交流电流源相连；正弦交流电流源通过第一隔直电容与待测电池相连；电压采样单元与待测电池相连，还通过A/D转换单元与控制器相连；待测电池通过A/D转换单元与控制器相连；控制器通过D/A转换单元与电子负载相连，电子负载通过继电器与待测电池相连。该方法包括：测量待测电池的交流内阻和/或直流内阻；测量待测电池的容量。本发明不仅能测量电池内阻，还能测量电池容量，能对电池性能做出全面、精确的评估，且测量精度高。

Description

一种配电终端电池性能的精确测量系统及方法
技术领域
本发明涉及配电网技术领域，特别涉及一种配电终端电池性能的精确测量系统及方法。
背景技术
配电终端是配电自动化建设的重要组成部分，主要应用于10kV架空线路，完成配电线的运行检测以及监控功能，实现对10kV/20kV配电网上开闭所、环网柜、柱上开关、配电变压器、电容器等一次设备的实时监控。配电终端采集配电网实时运行数据、检测、识别故障、开关设备的运行工况，进行处理及分析，通过有线/无线通信等手段，上传信息、接收控制命令，实现电源的不间断性供电。
目前，大多数配电终端都配备电池，如果电池性能有问题，就会影响其正常功能，严重时可能造成重大事故。所以，对电池的性能参数进行评估就很有必要了。电池性能的主要标志就是其内阻和容量，内阻增大导致带负载能力差，容量不足则满足不了续航要求。因此，电池性能的检测就是测量电池内阻及其容量。
电池内阻测量主要有两种方法，一种是仪器对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上瞬间电压降，然后根据欧姆定律计算出电池内阻；另一种足向电池注入交流电流，在电池上形成交流电压，根据交流电压和交流电流计算出电池内阻。
而电池容量的测量则常用充满放完法，虽然耗时长，但比较客观。
申请号为：201410302974.5，名称为：一种蓄电池内阻测量仪的中国专利中采用了方波电流，且其电流源基于稳压管、三极管和电阻，没有考虑到稳压管、三极管温漂造成充放电电流漂移，电流漂移会导致测量精度不佳，另外，也没考虑到高次谐波对测量精度的影响。申请号为：200810055316.5，名称为：蓄电池内阻测量方法的中国专利中采用了大电流直流放电法，问题在于其采用电阻放电方法，一方面电池电压变化会带来电流变化，另一方面放电电阻有温漂，因此测量精度未必理想。申请号为：201510120012.2，名称为：交流恒流源、电池内阻检测装置及电池测试仪的中国专利中采用交流注入法，担心波形失真，需要设计偏置电路。
另外，现有技术中未提到交流电流源幅度问题，即电流幅度小使得电池压降小，小电压容易受干扰，增加后级信号采样及处理难度，进而影响内阻测量精度。
总之，按照现有技术实施电池内阻测量，其精度不够理想。而且仅仅测量内阻，无法精确计算电池容量，即无法对电池性能做出全面、精确的评估。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种配电终端电池性能的精确测量系统及方法，不仅可以精确测量电池内阻，还能精确测量电池容量，能够对电池性能做出全面、精确的评估，且测量精度高。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种配电终端电池性能的精确测量系统，其包括：正弦交流电流源、第一隔直电容、电压采样单元、A/D转换单元、D/A转换单元、继电器、电子负载以及控制器，其中，
所述控制器通过所述D/A转换单元与所述正弦交流电流源的输入端相连；
所述正弦交流电流源的输出端通过第一隔直电容与待测电池相连；
所述电压采样单元的一端与所述待测电池相连，所述电压采样单元的另一端通过所述A/D转换单元与所述控制器相连；
所述待测电池通过所述A/D转换单元与所述控制器相连；
所述控制器通过所述D/A转换单元与所述电子负载相连，所述电子负载通过所述继电器与所述待测电池相连；
所述控制器用于根据所述正弦交流电流源的输出端输出的正弦交流电流在所述待测电池的内阻上产生的交流压降计算得出所述待测电池的交流内阻；和/或，所述控制器用于根据所述电压采样单元判断所述电池是否接反，若未接反时，控制所述继电器吸合，控制所述电子负载从所述待测电池吸收电流，延时第一时间，电压采样单元采样得到第一电压，然后控制所述电子负载断开第二时间，电压采样单元采样得到第二电压，根据所述第二电压与所述第一电压的差值以及所述电子负载吸收的电流安培数计算得出所述待测电池的直流内阻；
所述控制器还用于根据所述电子负载在从所述待测电池开始放电到达到截止电压之间所吸收的电流来计算所述待测电池的容量。
较佳地，还包括：第二隔直电容，所述第二隔直电容连接于所述待测电池以及所述A/D转换单元之间。
较佳地，还包括：处理单元，所述处理单元连接于所述第二隔值电容以及所述A/D转换单元之间，经过处理单元处理再计算内阻，进一步提高了内阻测量的精度。
较佳地，所述处理电路包括：依次连接的交流放大单元、带通滤波单元、精密整流单元以及低通滤波单元；所述交流放大单元与所述第二隔直电容相连，所述低通滤波单元与所述A/D转换单元相连。通过设置带通滤波单元，能够解决高次谐波和低频干扰的问题；通过设置精密整流单元以及低通滤波单元，进一步提高了测量精度，电路结构简单，价格低，占用控制器资源少。
较佳地，所述正弦交流电流源的输出电流为1～5安培之间的任一值，正选交流电流源的输出幅度大于1安培，精度高，在待测电池的内阻上形成的压降大，因此抗干扰能力强，便于后续处理，进一步提高了内阻测量的精度。
本发明还提供一种配电终端电池性能的精确测量方法，其包括以下流程：
P1：测量待测电池的内阻；
P2：测量所述待测电池的容量；
所述流程P1和流程P2不分先后顺序；
所述流程P1包括以下流程：
P11：测量所述待测电池的交流内阻；和/或；
P12：测量所述待测电池的直流内阻；
当包括同时包括所述流程P11和流程P12时，所述流程P11和流程P12不分先后顺序；
所述流程P11包括一下步骤：
S111：正弦交流电流源输出的正弦交流电流通过第一隔直电容加在所述待测电池上，在所述待测电池的内阻上产生交流压降；
S112：通过所述交流压降计算得出所述待测电池的内阻；
所述流程P12包括以下步骤：
S121：控制器通过电流采样单元查看所述待测电池是否接反，如接反则给出提示，如未接反，则吸合继电器，接通电子负载与所述待测电池；
S122：所述控制器控制所述电子负载从所述待测电池吸收电流，延时第一时间，所述电压采样单元采样得到第一电压；
S123：所述控制器控制所述电子负载断开第二时间，电压采样单元得到第二电压；
S124：根据所述第二电压与所述第一电压的差值以及所述电子负载所吸收的电流的安培数计算得出所述待测电池的直流内阻；
所述流程P2包括以下步骤：
S21：将所述待测电池充满，控制器通过电流采样单元查看所述待测电池是否接反，如接反则给出提示，如未接反，则吸合继电器，接通电子负载与所述待测电池；
S22：控制器控制所述电子负载从所述待测电池吸收电流，同时开始计时，并通过电压采样单元观察所述待测电池的电压是否达到截止电压，当达到截止电压时，停止计时，得到计时时间；
S23：用所述电子负载所吸收的电流的安培数乘以计时时间计算得到所述待测电池的容量。
较佳地，所述步骤S111中正弦交流电流源输出的正弦交流电流通过第一隔直电容加在待测电阻上后，还通过第二隔直电容再得到所述交流压降。
较佳地，所述步骤S111中通过所述第二隔直电容后，还通过处理单元后，再得到所述交流压降。
较佳地，所述处理单元依次包括：交流放大单元、带通滤波单元、精密整流单元以及低通滤波单元。
较佳地，所述正弦交流电流源的输出电流为1～5安培之间的任一值。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的配电终端电池性能的精确测量系统及方法，设置有正弦交流电流源、电压采样以及电子负载，兼备交流法测内阻和直流法测内阻的能力，还具有测电池容量的能力，能够对电池性能做出全面、精确的评估；
(2)本发明通过电压采样查看待测电池是否接反，未接反才吸合继电器，有防止待测电池接反的功能，能够防止接反出现的设备烧毁的问题，降低了测量风险；
(3)本发明通过设置带通滤波单元，能够解决高次谐波和低频干扰的问题，能够进一步提高测量精度；
(4)本发明通过设置精密整流单元以及低通滤波单元，能够进一步提高测量精度，且价格低廉，占用更好的控制器资源；
(5)本发明的正弦交流电流源的幅度大于1安培，精度高，在待测电池内阻上形成的压降大，因此抗干扰能力强，而且便于后级放大和处理，进一步提高了内阻测量的精度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的配电终端电池性能的精确测量系统的结构示意图；
图2为本发明的实施例的正弦交流电流源的电路原理图；
图3为本发明的实施例的电子负载的电路原理图；
图4为本发明的较佳实施例的配电终端电池性能的精确测量系统的结构示意图；
图5为本发明的较佳实施例的精密整流单元以及低通滤波单元的效果图；
图6为本发明的较佳实施例的电压采样单元、A/D转换单元、第二隔直电容以及处理单元的电路原理图。
标号说明：1-正弦交流电流源，2-第一隔直电容，3-待测电池，4-电压采样单元，5-A/D转换单元，6-D/A转换单元，7-继电器，8-电子负载，，9-控制器，10-第二隔直电容，11-处理单元；
111-交流放大单元，112-带通滤波单元，113-精密整流单元，114-低通滤波单元。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1-图3，对本发明的配电终端电池性能的精确测量系统进行详细描述，其结构示意图如图1所示，其包括：正弦交流电流源1、第一隔直电容2、电压采样单元4、A/D转换单元5、D/A转换单元6、继电器7、电子负载8以及控制器9，其中，控制器9通过D/A转换单元6与正弦交流电流源1的输入端相连；正弦交流电流源1的输出端通过第一隔直电容2与待测电池3相连；电压采样单元4的一端与待测电池3相连，电压采样单元4的另一端通过A/D转换单元5与控制器相连9；待测电池3通过A/D转换单元5与控制器9相连；控制器9通过D/A转换单元6与电子负载8相连，电子负载8通过继电器7与待测电池3相连。
本实施例中，正弦交流电流源的电路原理图如图3所示，U2A采用功率运放，如OPA549。为方便计算取R5＝R10，R6＝R9，R7为精密采样箔电阻，则输出电流Io＝Uin*R5/R6/R7。Uin为正弦交流信号，由D/A转换单元产生后再低通滤波得到。隔直电容计算：隔直电容感抗Xc＝1/(2*Pi*f*C)，因此，第一隔直电容的选取要足够大，使得其容抗在正弦交流电流源的可驱动范围内。
本实施例中电子负载的电路原理图如图4所述，Q1为大功率MOS管，可多个并联使用。U15为精密运放，R1、R2、C1为补偿电路，通常为几百欧姆和几百皮法，R115为精密采样箔电阻。吸收电流Ii＝Vin*RT4*RT3/RT1/RT2/R115。Vi由D/A转换单元产生。
本实施例的测量系统兼备交流法测内阻，直流法测内阻以及测电池容量的功能，下面对测量原理进行详细描述：
(1)交流法测内阻
控制器9控制正弦交流电流源1输出x安培1kHz的正弦交流电流，通过第一隔直电容2加在待测电池3上，在待测电池的交流内阻RAC上产生交流压降等于VAD＝x*RAC，于是待测电测的交流内阻RAC＝VAD/x。
(2)直流法测内阻
控制器9通过电压采样单元4查看待测电池3是否接反，如果接反则给出提示；如果连接正确，则吸合继电器7，接通电子负载8与待测电池3，且控制电子负载8吸收x安培电流，延时第一时间，电压采样得到V1；断开第二时间后，电压采样得到V2，最后得出待测电池的直流内阻RDC＝(V2-V1)/x。x通常选用0.1C，即对于20Ah的电池，x取2安培。
(3)待测电池的容量测量
将待测电池3充满，控制器9通过电压采样单元4查看待测电池3是否接反，如果接反则给出提示；如果连接正确，则吸合继电器7，接通电子负载8与待测电池3，且控制电子负载8吸收x安培电流，同时开始计时，并通过电压采样单元4观察是否达到截止电压，如果达到截止电压，则停止计时，计算出待测电池的容量等于x*t。
较佳实施例中，待测电池3和A/D转换单元5之间连接有第二隔直电容10，第二隔直电容10和A/D转换单元5之间还连接有处理单元11，处理单元11包括依次连接的交流放大单元111、带通滤波单元112、精密整流单元113以及1低通滤波单元114，其结构示意图如图4所示，精密整流单元113以及低通滤波单元114的效果如图5所示，如图6所示为电压采样单元4、A/D转换单元5、第二隔直电容10以及处理单元11的电路原理图，此并不是对本发明的限制，不同实施例中，可以用其他的电路代替，可以根据需要设置不同的电路，只要其能够达到提高精度的效果。
设置处理单元11后交流法测内阻的原理变为：正弦交流电流源输出的X安培1KHz的正弦交流电流，在待测电池的交流内阻RAC上产生的交流压降等于x*RAC，假设交流放大单元的交流放大系数为Ap，则经过带通滤波单元112、精密整流单元113以及低通滤波单元114之后输出值于是得出待测电池的交流内阻
较佳实施例中，为提高抗干扰能力进而提高测试精度，正弦交流电流源的输出电流x可选择在1～5安培。
下面对本发明的配电终端电池性能的精确测量方法进行详细描述，其包括以下流程：
P1：测量待测电池的内阻；
P2：测量待测电池的容量；
其中，P1又包括：
P11：测量待测电池的交流内阻；
P12：测量待测电池的直流内阻；
以上流程部分先后顺序。
流程P11具体包括以下步骤：
S111：正弦交流电流源输出的正弦交流电流x通过第一隔直电容加在待测电池上，在待测电池的交流内阻上产生交流压降VAD＝x*RAC；
S112：通过交流压降计算得出待测电池的交流内阻RAC＝VAD/x。
流程P12具体包括以下步骤：
S121：控制器通过电流采样单元查看待测电池是否接反，如接反则给出提示，如未接反，则吸合继电器，接通电子负载与待测电池；
S122：控制器控制电子负载从待测电池吸收X安培电流，延时第一时间，电压采样单元采样得到第一电压V1；
S123：控制器控制电子负载断开第二时间，电压采样单元得到第二电压V2；
S124：根据第二电压与所述第一电压的差值以及电子负载所吸收的电流的安培数计算得出待测电池的直流内阻RDC＝(V2-V1)/x。
流程P2具体包括以下步骤：
S21：将待测电池充满，控制器通过电流采样单元查看待测电池是否接反，如接反则给出提示，如未接反，则吸合继电器，接通电子负载与待测电池；
S22：控制器控制电子负载从待测电池吸收X安培电流，同时开始计时，并通过电压采样单元观察待测电池的电压是否达到截止电压，当达到截止电压时，停止计时，得到计时时间t；
S23：用电子负载所吸收的电流的安培数乘以计时时间计算得到待测电池的容量等于x*t。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种配电终端电池性能的精确测量系统，其特征在于，包括：正弦交流电流源、第一隔直电容、电压采样单元、A/D转换单元、D/A转换单元、继电器、电子负载以及控制器，其中，
所述控制器通过所述D/A转换单元与所述正弦交流电流源的输入端相连；
所述正弦交流电流源的输出端通过第一隔直电容与待测电池相连；
所述电压采样单元的一端与所述待测电池相连，所述电压采样单元的另一端通过所述A/D转换单元与所述控制器相连；
所述待测电池通过所述A/D转换单元与所述控制器相连；
所述控制器通过所述D/A转换单元与所述电子负载相连，所述电子负载通过所述继电器与所述待测电池相连；
所述控制器用于根据所述正弦交流电流源的输出端输出的正弦交流电流在所述待测电池的内阻上产生的交流压降计算得出所述待测电池的交流内阻；和/或，所述控制器用于根据所述电压采样单元判断所述电池是否接反，若未接反时，控制所述继电器吸合，控制所述电子负载从所述待测电池吸收电流，延时第一时间，电压采样单元采样得到第一电压，然后控制所述电子负载断开第二时间，电压采样单元采样得到第二电压，根据所述第二电压与所述第一电压的差值以及所述电子负载吸收的电流安培数计算得出所述待测电池的直流内阻；
所述控制器还用于根据所述电子负载在从所述待测电池开始放电到达到截止电压之间所吸收的电流来计算所述待测电池的容量。
2.根据权利要求1所述的配电终端电池性能的精确测量系统，其特征在于，还包括：第二隔直电容，所述第二隔直电容连接于所述待测电池以及所述A/D转换单元之间。
3.根据权利要求2所述的配电终端电池性能的精确测量系统，其特征在于，还包括：处理单元，所述处理单元连接于所述第二隔值电容以及所述A/D转换单元之间。
4.根据权利要求3所述的配电终端电池性能的精确测量系统，其特征在于，所述处理电路包括：依次连接的交流放大单元、带通滤波单元、精密整流单元以及低通滤波单元；
所述交流放大单元与所述第二隔直电容相连，所述低通滤波单元与所述A/D转换单元相连。
5.根据权利要求1所述的配电终端电池性能的精确测量系统，其特征在于，所述正弦交流电流源的输出电流为1～5安培之间的任一值。
6.一种配电终端电池性能的精确测量方法，其特征在于，包括一下流程：
P1：测量待测电池的内阻；
P2：测量所述待测电池的容量；
所述流程P1和流程P2不分先后顺序；
所述流程P1包括以下流程：
P11：测量所述待测电池的交流内阻；和/或；
P12：测量所述待测电池的直流内阻；
当包括同时包括所述流程P11和流程P12时，所述流程P11和流程P12不分先后顺序；
所述流程P11包括一下步骤：
S111：正弦交流电流源输出的正弦交流电流通过第一隔直电容加在所述待测电池上，在所述待测电池的内阻上产生交流压降；
S112：通过所述交流压降计算得出所述待测电池的内阻；
所述流程P12包括以下步骤：
S121：控制器通过电流采样单元查看所述待测电池是否接反，如接反则给出提示，如未接反，则吸合继电器，接通电子负载与所述待测电池；
S122：所述控制器控制所述电子负载从所述待测电池吸收电流，延时第一时间，所述电压采样单元采样得到第一电压；
S123：所述控制器控制所述电子负载断开第二时间，电压采样单元得到第二电压；
S124：根据所述第二电压与所述第一电压的差值以及所述电子负载所吸收的电流的安培数计算得出所述待测电池的直流内阻；
所述流程P2包括以下步骤：
S21：将所述待测电池充满，控制器通过电流采样单元查看所述待测电池是否接反，如接反则给出提示，如未接反，则吸合继电器，接通电子负载与所述待测电池；
S22：控制器控制所述电子负载从所述待测电池吸收电流，同时开始计时，并通过电压采样单元观察所述待测电池的电压是否达到截止电压，当达到截止电压时，停止计时，得到计时时间；
S23：用所述电子负载所吸收的电流的安培数乘以计时时间计算得到所述待测电池的容量。
7.根据权利要求6所述的配电终端电池性能的精确测量方法，其特征在于，所述步骤S111中正弦交流电流源输出的正弦交流电流通过第一隔直电容加在待测电阻上后，还通过第二隔直电容再得到所述交流压降。
8.根据权利要求7所述的配电终端电池性能的精确测量方法，其特征在于，所述步骤S111中通过所述第二隔直电容后，还通过处理单元后，再得到所述交流压降。
9.根据权利要求8所述的配电终端电池性能的精确测量方法，其特征在于，所述处理单元依次包括：交流放大单元、带通滤波单元、精密整流单元以及低通滤波单元。
10.根据权利要求6所述的配电终端电池性能的精确测量方法，其特征在于，所述正弦交流电流源的输出电流为1～5安培之间的任一值。
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