CN108614220A - 一种基于阻尼振荡的蓄电池内阻测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阻尼振荡的蓄电池内阻测量方法，其利用MCU控制谐振波形产生作为激励源，通过互感传递给蓄电池侧的RLC电路，进而根据RLC电路的阻尼振荡波形的特征，测定其响应到原边侧的衰减振荡信号来计算出蓄电池的内阻值，进而推算容量。本发明方法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，同时优化计算方法可以改善精确度，使其具有在线测量电池内阻且对电池性能基本无影响的功效。

Description

一种基于阻尼振荡的蓄电池内阻测量方法

技术领域

本发明属于传感器测量技术领域，具体涉及一种基于阻尼振荡的蓄电池内阻测量方法。

背景技术

蓄电池作为一种供电方便、安全可靠的直流电源，在人们的生产生活中有着广泛应用。但是由于蓄电池在工作时常常会出现欠充、过充的现象，导致电池容量下降，影响设备的正常运转，因此及时得监测蓄电池容量来加以维护有着重要的意义。

随着嵌入式技术的发展，对蓄电池检测技术的研究也越来越深入。近几年来，市场上针对蓄电池检测也已有一些成品，其功能包括检测单体电池的内阻、温度、电压，有些还能估计电池组的剩余容量。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％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，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)密度法；蓄电池剩余容量和其内部电解液密度密切相关，通过测量电解液的密度值，可间接推算其剩余电量，但在电池使用后期，随着正负极板的腐蚀、断筋，上述三种物质的比例发生较大差异，从而导致用密度值推算剩余电量不再准确。

蓄电池剩余容量(SOC)数学模型探讨和在线测试仪的开发一文中提出了铅酸的SOC与蓄电池端电压、充放电电流、初始电液比重、环境温度等物理化学参数之间关系的数学模型，基于这个数学模型，就可通过测量蓄电池充放电过程中的各个物理参数得知蓄电池的当前容量。基于这样的原理，开发出了蓄电池容量在线测试仪，经过与大量的实测充放电数据对比，证明该文提出的数学模型能够较准确地表达蓄电池充放电过程中端电压和容量之间的关系，并能够很好地反映各个物理化学参数对充放电过程中端电压的影响；但是在实际过程中，SOC数学模型建立难度大，周期长，对于不同的蓄电池需要重新建立，不利于产品的进一步推广。

实验研究证明，蓄电池的电导(电阻)与其电池容量具有很高的相关性，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，其实现手段主要有两种，直流放电法和交流阻抗法。直流放电法是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。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。

基于交流阻抗法的蓄电池内阻测量一文中用精密电阻和电池构成串联电路，采用交流注入法对蓄电池注入微弱正弦波信号.通过对输出响应进行一系列的滤波、正峰值检测、放大以及AD转换和采集，然后根据测量到的精密电阻和电池上的电压比来推算电池内阻，其采取的交流频率为20Hz，所以此时电池上的电阻模型包含极化电阻，而极化电阻的值与电池容量无关，即引入了无关参量，限制了测量精度的提高。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于阻尼振荡的蓄电池内阻测量方法，利用RLC电路的阻尼振荡波形的特征来求出蓄电池的内阻值，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，同时优化计算方法可以改善精确度，有其优势和存在意义。

一种基于阻尼振荡的蓄电池内阻测量方法，包括如下步骤：

(1)构建一个由待测电池、电感和电容闭合连接组成的串联振荡电路；

(2)通过电感耦合的方式给所述串联振荡电路施加一个电激励，使得该电路具有任一初始状态，然后撤销电激励，此时串联振荡电路处于闭合回路并产生阻尼振荡响应；

(3)采集串联振荡电路中电感或电容的电压并对其进行放大和滤波后输入至A/D转换器中，进而通过A/D转换得到对应的阻尼振荡信号；

(4)以频率f_s采样阻尼振荡信号并截取其中N个连续的采样值，组成采样序列V_N，N为大于1的自然数；

(5)对采样序列V_N中的前M个采样值加窗函数运算，得到加窗序列Y_M，M为自然数且1＜M≤N；

(6)对加窗序列Y_M进行离散傅里叶变换得到该序列对应的频谱F_M，找出频谱F_M中对应幅值最大的频率点，进而根据其相邻频率点幅值通过修正计算得到阻尼振荡信号的振荡频率f_d和衰减系数b；

(7)根据所述振荡频率f_d和衰减系数b计算出待测电池的内阻。

进一步地，所述步骤(1)中通过对电感和电容的参数配置使得所述串联振荡电路具备阻尼振荡条件。

进一步地，所述步骤(4)中阻尼振荡信号的具体表达式如下：

其中：V(n)为阻尼振荡信号中的第n个采样值，A为阻尼振荡信号的初始幅值，为阻尼振荡信号的初始相角，c为阻尼振荡信号的偏移量，n为大于1的自然数。

进一步地，所述步骤(5)中的窗函数采用矩形窗、汉宁窗或Blackman窗。

进一步地，所述步骤(6)中通过以下方程计算阻尼振荡信号的振荡频率f_d和衰减系数b：

其中：R、r和λ均为中间过程参量，j为虚数单位，Im{}表示取虚部，Re{}表示取实部，k为对应幅值最大的频率点在频谱F_M中的序号，F(k)为频谱F_M中第k个频率点的幅值，F(k-1)和F(k+1)分别为频谱F_M中第k-1个频率点和第k+1个频率点的幅值，w_k＝2πk/M，w_k-1＝2π(k-1)/M，w_k+1＝2π(k+1)/M。

进一步地，所述步骤(7)中通过以下算式计算待测电池的内阻：

R_x＝2Lb

其中：R_x为待测电池的内阻，L为串联振荡电路中的电感值。

进一步地，所述步骤(7)中通过以下算式计算待测电池的内阻：

其中：R_x为待测电池的内阻，C为串联振荡电路中的电容值。

基于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

(1)本发明基于阻尼振荡波的蓄电池内阻检测，结合了交流阻抗法的优点，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，实现了在线测量且对电池性能基本无影响。

(2)本发明采用了改进的DFT算法，对频谱中幅值最大频率点k根据相邻频率点的幅值对其进行修正，得到精确的振荡频率f_d和衰减系数b，实现了电阻参数的高精度测量。

附图说明

图1为本发明蓄电池内阻非接触测量装置的结构示意图。

图2为本发明蓄电池内阻非接触测量装置的电路原理图。

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的技术方案进行详细说明。

本实施方式采用如图1和图2所示的检测装置对电池内阻R_x进行检测，装置包括控制器、驱动电路、开关电路101、谐振电路102、信号检测电路104和串联单元测量电路103。

驱动电路与控制器相连，其将控制器提供的两路驱动信号进行放大后输出；本实施例中，驱动电路采用International Rectifier公司的IRF2110芯片。

开关电路101与驱动电路相连，其根据驱动电路提供的两路放大后的驱动信号，输出方波信号；本实施例中，开关电路101由两个MOS管Q1～Q2和两个二极管D1～D2构成；其中，MOS管Q1的源极接+12V的电源电压，栅极为开关电路101的第一输入端并接收驱动电路输出的第一驱动信号，漏极与二极管D1的阳极相连；MOS管Q2的源极接地，栅极为开关电路101的第二输入端并接收驱动电路输出的第二驱动信号，漏极与二极管D2的阴极相连；二极管D1的阴极与二极管D2的阳极相连构成开关电路101的输出端并输出方波信号。

谐振电路102与开关电路101相连，其将方波信号转换成交流电压信号；本实施例中，谐振电路102采用串联式谐振电路，包括一个电阻R2、一个电容C2和一个电感L2；其中，电阻R2的一端与电容C2的一端相连构成谐振电路102的输入端并接收开关电路101输出的方波信号，电容C2的另一端与电感L2的一端相连，电感L2的另一端与电阻R2的另一端相连并接地。

串联单元测量电路103与谐振电路102耦合，其将从谐振电路102中的电感L2上耦合得到的交流电压信号作为初始电激励；串联单元测量电路103为由一个电感L、一个电容C和一个电阻R串联构成的电路，电感L与谐振电路102中电感L2相耦合。

信号检测电路104与谐振电路102相连，其采集谐振电路102接收到的包含电阻、电感和电容信息的阻尼振荡波信号，并对该信号进行调理整形，输出检测电压信号；本实施例中，信号检测电路104由四个电阻R3～R6、一个电容C3和一个运算放大器U构成；其中，电阻R3的一端为信号检测电路104的输入端且与谐振电路102中的电感L2的一端相连以采集谐振电路102接收到的阻尼振荡波信号，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U的正相输入端相连，电阻R4的另一端与电阻R5的一端相连并接地，电阻R5的另一端与运算放大器U的反相输入端、电阻R6的一端和电容C3的一端相连，运算放大器U的正电源端接+5V的电源电压，运算放大器U的负电源端接-5V的电源电压，运算放大器U的输出端与电阻R6的另一端和电容C3的另一端相连构成信号检测电路104的输出端并输出检测电压信号。

控制器与信号检测电路104相连，其对信号检测电路104输出的检测电压信号进行采样，并根据该信号分析计算出待测电阻、电感或电容值；本实施例中，控制器由一MCU芯片和与其相连的一外置A/D采样芯片组成，MCU采用Texas Instruments公司的TMS320F28035芯片，A/D采样芯片采用Analog Device公司的AD9220芯片。

本实施方式电池内阻的精确测量方法，包括如下步骤：

(1)先施加给串联单元一个电激励，使该单元具备任意初始状态，再撤销这个电激励，此时串联单元处于闭合回路，使该单元进入零输入响应；串联单元的零输入响应可由如下方程表示：

其中：i_L为电感电流，u_C为电容电压，I₀为电感电流初始状态，U₀为电容电压初始状态，u_e为蓄电池电压。

串联单元零输入响应，阻尼振荡条件为即当时，其零输入响应为阻尼振荡波，可表示为：

其中：b为串联阻尼系数且f_d为串联阻尼振荡频率且A为振荡初始幅值，θ为振荡初始相角，u_e为蓄电池电压值。

本实施方式中MCU通过驱动电路输出一对互补的驱动信号分别给开关电路101中的两个MOS管Q1～Q2，两个MOS管Q1～Q2互补开关动作，使得开关电路101输出高频的方波信号；谐振电路102将方波信号转换成交流电压信号，进而通过电感L2将交流电压信号耦合至串联单元测量电路103，串联单元测量电路103正常工作稳定后，MCU停止输出驱动信号，则谐振电路102中的电容C2和电感L2停止振荡并快速放电。

(2)串联单元测量电路103通过电感L耦合得到交流电压信号形成电流回路后开始工作，并产生与电阻、电感和电容值相关的阻尼振荡电压信号，进而通过电感L将阻尼振荡电压信号耦合至谐振电路102；利用信号检测电路104采集谐振电路102中电感L2耦合得到的阻尼振荡电压信号，经调理整形后向外置A/D采样芯片提供对应的检测电压信号，经A/D转换后再将采样点提供给MCU芯片；本实施方式中采样频率f_s为10MHZ。

(3)MCU截取检测电压信号的N个连续的采样点，记为V_N:{X₁,X₂,……，X_N}，N为远大于1的自然数。

(4)对V_N序列加窗函数，记为Y_M：{X₁W₁,X₂W₂,……，X_MW_M}，为M个采样点的窗口序列函数。

(5)根据下列形式对Y_M序列进行离散傅里叶变换，得到该序列的频谱F_M。

其中：

(6)找出频谱中幅值最大频率点k，并根据相邻频率点的幅值对其进行修正，得到精确的振荡频率f_d和衰减系数b。

其中：R、r和λ为过程参量，k为F_M频谱中幅值最大频率点。

b＝-Re{ln(λ)}·fs

其中：b为所求信号的衰减系数，f_d为所求信号的振荡频率。

(7)根据振荡频率和阻尼系数计算蓄电池电阻的值。

a.若已知串联单元中的电容值C：

其中：R_X为待测蓄电池内阻值，b为阻尼振荡系数，f_d为阻尼振荡频率，C为串联单元中已知电容值。

b.若已知串联单元中的电感值L：

R_X＝2Lb

其中：R_X为待测蓄电池内阻值，b为阻尼震荡系数，L为串联单元已知电感值。

(8)通过对蓄电池恒电流充放电并同时测量蓄电池电阻值，建立起蓄电池容量与电阻值的对应关系，根据即时测量的电阻值便可以得到蓄电池容量。

已知串联单元测量电路中电容值C＝10uF，基于上述的蓄电池内阻测量系统，得到的测量结果如表1所示：

表1

测量次数	串联单元线路电阻(mΩ)	误差(mΩ)
			1	111.964	-0.051
2	111.803	-0.112
			3	112.113	0.098
4	112.105	0.09
			5	111.891	-0.024
平均值	112.015	0.075

由表1可知，串联单元线路电阻值为112.015mΩ，最大测量误差为0.112mΩ。

串联蓄电池后，蓄电池为4V，4AH，内阻标称值为20mΩ，对蓄电池进行1A定电流充放电，测出相应容量的串联单元电阻，减去线路电阻，就能得到不同蓄电池容量下蓄电池内阻值，如表2所示：

表2

根据IEEE Std 450TM-2002和IEEE Std 1188TM-2005标准，建议蓄电池容量下降到80％额定容量时更换。本实施方式在蓄电池容量下降到80％时测得蓄电池阻值为23.51mΩ，比额定容量下阻值高3.108mΩ，且误差保持在±0.1mΩ左右，最大误差在±0.2mΩ内，因此本发明方法具有极高的可行性。

上述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蓄电池内阻测量方法，包括如下步骤：

(1)构建一个由待测电池、电感和电容闭合连接组成的串联振荡电路；

(2)通过电感耦合的方式给所述串联振荡电路施加一个电激励，使得该电路具有任一初始状态，然后撤销电激励，此时串联振荡电路处于闭合回路并产生阻尼振荡响应；

(3)采集串联振荡电路中电感或电容的电压并对其进行放大和滤波后输入至A/D转换器中，进而通过A/D转换得到对应的阻尼振荡信号；

(4)以频率f_s采样阻尼振荡信号并截取其中N个连续的采样值，组成采样序列V_N，N为大于1的自然数；

(5)对采样序列V_N中的前M个采样值加窗函数运算，得到加窗序列Y_M，M为自然数且1＜M≤N；

(6)对加窗序列Y_M进行离散傅里叶变换得到该序列对应的频谱F_M，找出频谱F_M中对应幅值最大的频率点，进而根据其相邻频率点幅值通过修正计算得到阻尼振荡信号的振荡频率f_d和衰减系数b；

(7)根据所述振荡频率f_d和衰减系数b计算出待测电池的内阻。

2.根据权利要求1所述的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过对电感和电容的参数配置使得所述串联振荡电路具备阻尼振荡条件。

3.根据权利要求1所述的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中阻尼振荡信号的具体表达式如下：

其中：V(n)为阻尼振荡信号中的第n个采样值，A为阻尼振荡信号的初始幅值，为阻尼振荡信号的初始相角，c为阻尼振荡信号的偏移量，n为大于1的自然数。

4.根据权利要求1所述的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(5)中的窗函数采用矩形窗、汉宁窗或Blackman窗。

5.根据权利要求1所述的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(6)中通过以下方程计算阻尼振荡信号的振荡频率f_d和衰减系数b：

b＝-Re{ln(λ)}·f_s

其中：R、r和λ均为中间过程参量，j为虚数单位，Im{}表示取虚部，Re{}表示取实部，k为对应幅值最大的频率点在频谱F_M中的序号，F(k)为频谱F_M中第k个频率点的幅值，F(k-1)和F(k+1)分别为频谱F_M中第k-1个频率点和第k+1个频率点的幅值，w_k＝2πk/M，w_k-1＝2π(k-1)/M，w_k+1＝2π(k+1)/M。

6.根据权利要求1所述的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中通过以下算式计算待测电池的内阻：

R_x＝2Lb

其中：R_x为待测电池的内阻，L为串联振荡电路中的电感值。

7.根据权利要求1所述的蓄电池内阻测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中通过以下算式计算待测电池的内阻：

其中：R_x为待测电池的内阻，C为串联振荡电路中的电容值。