CN107015153B - 一种蓄电池soh的电压和电流采样控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蓄电池SOH的电压和电流采样控制方法。由嵌入式微处理器、蓄电池放电电流采集电路、蓄电池电压采集电路、蓄电池、MODEM、串口组成，其中蓄电池以周期性间歇方式放电，在嵌入式微处理器内部设有一A/D结果缓存区，由嵌入式微处理器的定时器控制AD采集时刻，一次定时采集放电电流和蓄电池电压两个对象，AD结果缓存满，需对AD结果进行数据分析处理，计算得到指定区间放电电流对应的负载电压、停止放电时的空载电压，从而判断蓄电池的SOH状态。采用本发明无需对现有电压测量模块、电流测量模块进行改动即可准确得到放电时和未放电时的蓄电池电压，是一种用时较短的控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种蓄电池电压和电流采样方法，尤其涉及一种蓄电池SOH的电压和电流采样控制方法。
背景技术
蓄电池能为设备持续工作提供直流备用电源，是电子产品重要的组成部分。目前最常见的应用场景是：由市电、太阳能等外部电源结合蓄电池给负载设备供电；外部电源不仅给负载供电，而且还能为蓄电池充电，但当外部电源中断时，则由蓄电池续能。
众所周知，蓄电池随着充放电次数的增加，老化程度逐渐增加，存储电量能力会下降，最终直接影响系统的运行。本领域技术人员遂引入健康状态（State Of Health，SOH）作为衡量蓄电池性能的指标，对蓄电池进行监控，以掌握其使用寿命情况，及时进行维护和保养。但影响SOH的因素很多，比如温度、内阻、极板腐蚀程度等，其中一些因素的参数很难通过模型反应或者实时测量获得，要准确计算蓄电池SOH的难度比较大。目前主要是根据蓄电池的外部特性如电压、内阻及温度等来对其SOH近似的估算，进而判断电池老化程度和运行状态；蓄电池的外部特性参数在放电过程中表现出的随时间变化的规律叫做放电特性，它们的采样在估算蓄电池的SOH中起着重要作用，一般意义上，曲线上的数据点越多越能提高检测结果的准确性。
目前，常用的几种估算SOC方法有核对性放电法、电池内阻法、电池电压法等。对蓄电池外部特性参数的监控技术，通常包含至少如下两部分：（a）检测蓄电池电压、工作温度及内阻；（b）电流传感器：检测蓄电池的电流并由此判断其当前状态（放电、充电还是浮充）；一般地说，电压测量模块、电流测量模块等都由A/D完成转换，对电流、电压采用轮流循环检测的方式，通常为每秒或每0.5秒检测一次，从而形成特性曲线。
文献CN103884985A公开了一种蓄电池性能的检测方法，采集蓄电池在连续和长时间工作下的长时工作数据（蓄电池的电压、电流和温度），根据长时工作数据得到所述蓄电池的工作曲线（总电压-采集时间曲线，一组电流-采集时间曲线），根据所述工作曲线进行数据分析得到蓄电池的运行状态和蓄电池的性能信息，并指出利用数据采集装置按合适的时间间隔(例如每8分钟采集一次)采集记录蓄电池的运行数据，同步的记录采集数据的相应时刻；CN202649438U则提供了一种由单片机、显示器和电脑组成的蓄电池放电性能测试装置，单片机可以将检测到的电压信号进行模数转换，并将传递给显示器和电脑，显示器将实时显示电压的波形变化，而电脑将实时记载电压值与放电时间，实现通过蓄电池放电性能测试装置提高了蓄电池放电性能的检测效率和准确性；文献CN101067644B公开了一种将多个连续的、变化的、相互关联的信息串联起来，作为综合评价阀控式铅蓄电池性能的指标，从而使作出的评价更为精准；CN104375093A设计一种蓄电池性能测试仪及其实现方法，由单片机、蓄电池深度控制与放电回路、计时回路、电压采集回路、液晶显示回路和控制按键等组成，测量蓄电池的电池容量时，采用恒定电流、利用定时器全程测量实际放电时间的方式进行测量，从而准确测量蓄电池的总容量以及获得使用过程中蓄电池的当前电压和当前容量，属于核对性放电法；文献CN101067648B发明了一种方法，将待测蓄电池连接到不同阻值的测试负载，不同时间段内，控制待测蓄电池连接不同阻值的负载，获得待测蓄电池在不同时间段放电时的电流值和电压值，根据电流值和电压值获得待测蓄电池的内阻检测值，通过修改和预置的关系曲线，从而最终判断待测蓄电池的性能，该方法综合了核对性放电法和电池内阻法的优点；为评价不同体系蓄电池性能，文献CN103616644A研究计算在不同电流条件下的放电能量效率、充电能量效率和充放电能量效率；将放电能量效率、充电能量效率和充放电能量效率分别对电流作图，得到与电流关系的曲线图，将不同类型电池放电能量效率、充电能量效率和充放电能量效率的曲线图分别列于一幅图中，在同一图中分别分析和对比不同类型电池的放电能量效率、充电能量效率和充放电能量效率的关系，据此评价其性能差异以及适用条件；CN104142478A提出的是电力领域用于测量蓄电池性能的一种工业用蓄电池性能测量装置，该装置通过工控机与检测电路连接，多参数检测和内阻检测的传感器通过多路集中器形成检测信号传递给发射器，最终传递给工控机，工控机将经过处理的数据信号经由内阻检测模块和多参数检测模块进行检测数据读出，并通过显示器显示。
这些方法各有优缺点，核对性放电法：结果准确，但工作量大，操作麻烦，不宜作为蓄电池性能在线实时监测；电池内阻法：检测提取信号时存在很大的困难，此外，在检测过程中要尽量降低引线电阻、接触电阻的影响，不是一种性价比好的在线监测方法；电池电压法：操作简单，风险系数小，并可以快速查找落后电池，但测试精度低，只能作为电池落后状态判定依据，不能准确测算电池的好坏程度及电池容量指标。
发明内容
通常蓄电池SOH的电压和电流采样装置由嵌入式微处理器、蓄电池放电电流采集电路、蓄电池电压采集电路、蓄电池、MODEM、串口电路组成；其中嵌入式微处理器分别和蓄电池放电电流采集电路、蓄电池电压采集电路、MODEM、串口及其他电路相连，蓄电池分别和蓄电池放电电流采集电路、蓄电池电压采集电路相连。
本发明的目的就是基于蓄电池SOH的电压和电流采样装置基础上，提供一种蓄电池电压和电流采样的控制方法。利用该方法就可以实现对蓄电池性能的快速有效检测。
本发明所述的蓄电池，以周期性间歇方式放电，放电时长大于500ms，小于1分钟，停止放电时长小于500ms，小于1分钟。
本发明所述的嵌入式微处理器，内部设有A/D结果缓存区，即A/D结果缓存AD[2*N+1]，N的取值范围和周期性间歇方式放电的周期时间直接相关，N=5～9216；该A/D结果缓存区的偶数序号保存放电电流A/D转换结果，奇数序号保存蓄电池电压A/D转换结果。
本发明所述的嵌入式微处理器，内部设有一个定时器，定时中断的时间间隔单位为毫秒（ms），一般范围为5～900ms，由定时器控制A/D采集时刻；当定时中断到，意味着A/D采集时刻到，此时如果A/D结果缓存未满，则启动A/D转换操作，连续采集放电电流和蓄电池电压，如A/D结果缓存满，则不启动A/D转换操作。
本发明所述的嵌入式微处理器的定时中断服务程序中控制A/D采集，首先选择放电电流通道，启动A/D转换，A/D转换完成后，则立刻切换选择蓄电池电压通道，继续启动A/D转换，即一次定时采集放电电流和蓄电池电压。通常，A/D转换完成时间为微秒数量级，甚至更低，可以等同视为同时采集放电电流和蓄电池电压。
本发明所述的放电电流的A/D值有三个门限值，门限值1、门限值2和门限值3。如果A/D转换结果小于门限值1，判定放电电流为0，门限值2和门限值3用于设定指定的放电电流值。
本发明所述的嵌入式微处理器，内部还设有一个A/D保存指针，指示A/D转化结果应保存在A/D结果缓存中的序号。当A/D保存指针指向AD[2*N+1]时，说明A/D结果缓存满，需对A/D结果进行数据分析处理。具体步骤如下：
A 、先将重要变量初始化，即循环变量i＝0、放电电流LI（LI，Load I）＝0、放电电流个数LIC（LIC，Load I Count）=0、负载电压LV（LV，Load Voltage）=0、负载电压个数LVC（LV，Load Voltage Count）=0、空载电压SV（SV，Static Voltage）=0、空载电压个数SVC（SV，Static Voltage Count）=0；
B 、启动进行循环计算，对A/D结果缓存区偶数序号间两两减法操作，获得差值绝对值，如果差值绝对值小于设定的误差范围，则再取A/D结果缓存区的当前偶数序号数值，判断是否小于门限值1，如果是则执行空载电压SV，SV=SV+AD[2*i+1]、空载电压次数SVC加一，否则如果大于门限值1，则再检查A/D结果缓存的当前偶数序号数值是否在门限值2～门限值3之间，如果是在这个范围内，则执行放电电流LI， LI=LI+AD[2*i]、放电电流次数LIC加一、负载电压LV=LV+AD[2*i+1]、负载电压次数LVC加一。
3、循环结束后，根据累计的LI和LIC、累计的LV和LVC、累计的SV和SVC分别求取平均值，计算得到指定区间放电电流对应的负载电压、停止放电时的空载电压，从而很快就可以判断蓄电池的SOH状态。
采用本发明的有益效果是：对于由蓄电池供电的应用系统，无需对现有电压测量模块、电流测量模块进行改动，采用本方法即可准确得到放电时的蓄电池电压和未放电时的蓄电池电压，从而为评估蓄电池性能提供数据依据，且是在蓄电池的正常运行中实现对其性能的快速有效检测，是一种电路简单、方法有效、用时较短的控制方法，具有现实应用意义。
本发明的特征及优点将通过实施例并结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明的硬件框图。
图２是本发明的时序图。
图3是本发明的方法流程图。
图4是本发明的定时采集流程图。
具体实施方式
图1中，101是嵌入式微处理器，102是蓄电池放电电流采集电路，103是蓄电池电压采集电路，104是蓄电池，105是MODEM，106是串口；其中嵌入式微处理器（101）分别和蓄电池放电电流采集电路（102）、蓄电池电压采集电路（103）、MODEM（105）、串口（106）相连，蓄电池（104）分别和蓄电池放电电流采集电路（102）、蓄电池电压采集电路（103）相连。
图2中，TAD是完成一次A/D转化所需的时间，通常为μs数量级，Ti是规则时间间隔启动A/D转化，通常为ms数量级，A/D结果缓存系在101嵌入式微处理器内部的线性数组缓存区即AD[2*N+1]，其偶数序号保存放电电流A/D转换结果，其奇数序号保存蓄电池电压A/D转换结果。
当A/D保存指针指向AD[2*N+1]时，说明A/D结果缓存满，会启动如图3所示流程处理，为了更详细的描述本发明，下面对图3作进一步说明。
步骤301：启动方法开始，执行步骤302；
步骤302：执行重要变量初始化，即循环变量i＝0、放电电流LI＝0、放电电流个数LIC=0、负载电压LV=0、负载电压个数LVC=0、空载电压SV=0、空载电压个数SVC=0，然后执行步骤303；
步骤303：开始循环计算，将A/D结果缓存区偶数序号间两两进行减法操作，取结果绝对值，然后执行步骤304；
步骤304：判断差值是否小于误差范围内，如果是，则执行步骤305，否则则执行步骤309；
步骤305：取A/D结果缓存的当前偶数序号数值，判断是否小于门限值1，是则执行步骤306，否则大于门限值1，则执行步骤307；
步骤306：空载电压SV=SV+AD[2*i+1]，空载电压次数SVC加一，然后执行步骤309；
步骤307：取A/D结果缓存的当前偶数序号数值，判断是否在门限值2～门限值3之间，如果是则执行步骤308，否则执行步骤309；
步骤308：放电电流LI=LI+AD[2*i]，放电电流次数LIC加一；负载电压LV=LV+AD[2*i+1]，负载电压次数LVC加一，然后执行步骤309；
步骤309：判断循环是否结束，即i≤N，如果还需要循环，则执行步骤303，否则结束循环，执行步骤310；
步骤310：判断放电电流次数LIC是否大于零，是，则执行步骤311，否则执行步骤312；
步骤311：计算求取放电电流平均值，执行步骤312；
步骤312：判断负载电压次数LVC是否大于零，是，则执行步骤313，否则执行步骤314；
步骤313：计算求取负载电压平均值，执行步骤314；
步骤314：判断空载电压次数SVC是否大于零，是，则执行步骤315，否则执行步骤316；
步骤315：计算求取空载电压平均值，执行步骤316；
步骤316：上述步骤执行后说明数据处理完成，将A/D保存指针归零，指向缓存区首地址，以便重新开始启动A/D，然后执行步骤317；
步骤317：方法结束。
当进入定时中断服务程序后，会启动图4流程步骤，具体说明如下：
步骤401：进入定时中断服务程序，执行步骤402；
步骤402：判断A/D结果缓存是否满，满则执行步骤405，否则执行403；
步骤403：选择放电电流通道，启动A/D转换，转换完成后，将A/D结果保存到缓存区的偶数序号，A/D保存指针后移，执行步骤404；
步骤404：选择蓄电池电压通道，启动A/D，转换完成后，将A/D结果保存到缓存区的奇数序号，A/D保存指针后移，执行步骤405；
步骤405：执行定时中断服务程序的其他操作。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应该理解，我们所描述的具体实施例只是说明性的，而不是用于对本发明范围的限定，任何受本发明技术路线启发所作的等效修饰以及变化，都应当涵盖在本发明权利要求所保护的范围内。
Claims (1)
1.一种蓄电池SOH的电压和电流采样控制方法，由嵌入式微处理器（101）、蓄电池放电电流采集电路（102）、蓄电池电压采集电路（103）、蓄电池（104）、MODEM（105）、串口（106）组成，其中，嵌入式微处理器分别（101）和蓄电池放电电流采集电路（102）、蓄电池电压采集电路（103）、MODEM（105）、串口相（106）连，蓄电池（104）分别和蓄电池放电电流采集电路（102）、蓄电池电压采集电路（103）相连，蓄电池（104）以周期性间歇方式放电，嵌入式微处理器，内部设有一个定时器，由定时器控制A/D采集时刻，一次定时采集两个参数，即放电电流和蓄电池电压；其特征是：
（1）放电电流的A/D值有三个门限值，门限值1、门限值2和门限值3；
（2）所述的嵌入式微处理器（101），内部设有一A/D结果缓存区，即A/D结果缓存AD[2*N+1]，N的取值范围为：5～9216；该A/D结果缓存区的偶数序号保存放电电流A/D转换结果，奇数序号保存蓄电池电压A/D转换结果；
（3）所述的嵌入式微处理器（101），内部还设有一个A/D保存指针，当A/D保存指针指向AD[2*N+1]时，说明A/D结果缓存满，需对A/D结果进行数据分析处理，分析步骤如下：
A. 先将重要变量初始化，即循环变量i＝0、放电电流LI＝0、放电电流个数LIC=0、负载电压LV=0、负载电压个数LVC=0、空载电压SV=0、空载电压个数SVC=0；
B 、启动进行循环计算，对A/D结果缓存区偶数序号间两两减法操作，获得差值绝对值，如果差值绝对值小于设定的误差范围，则再取A/D结果缓存区的当前偶数序号数值，判断是否小于门限值1，如果是则执行空载电压SV，SV=SV+AD[2*i+1]、空载电压次数SVC加一，否则如果大于门限值1，则再检查A/D结果缓存的当前偶数序号数值是否在门限值2～门限值3之间，如果是在这个范围内，则执行放电电流LI， LI=LI+AD[2*i]、放电电流次数LIC加一、负载电压LV=LV+AD[2*i+1]、负载电压次数LVC加一；
C. 循环结束后，根据累计的LI和LIC、累计的LV和LVC、累计的SV和SVC分别求取平均值，计算得到指定区间放电电流对应的负载电压、停止放电时的空载电压。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 350300 research and development center, Fuxin Normal University, No. 1 Longjiang campus, Fuqing Longjiang, Fuzhou, Fujian Applicant after: Fujian Normal University Address before: 350108 science and technology office, Fujian Normal University, Minhou Town, Minhou Town, Fujian Applicant before: Fujian Normal University |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wu Yunping Inventor after: Liu Yize Inventor after: Su Weida Inventor after: Wang Tingyin Inventor after: Li Wangbiao Inventor before: Wu Yunping Inventor before: Liu Yize Inventor before: Su Weida |
|
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231013 Address after: Room 1302, 13th Floor, Building 1, Rongjin Building, No. 8 Aotou Road, Taijiang District, Fuzhou City, Fujian Province, 350009 Patentee after: Fuzhou Chengtou Smart Microcity Industrial Development Co.,Ltd. Address before: 350300 research and development center, Fuxin Normal University, No. 1 Longjiang campus, Fuqing Longjiang, Fuzhou, Fujian Patentee before: Fujian Normal University |
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| TR01 | Transfer of patent right |