CN108896917A - 一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测系统及方法，该系统通过内阻检测模块采集正弦电压激励信号、蓄电池温度参数、放电电流参数，经信号调理电路处理后送至MSP430单片机中进行数据处理，利用上述采集的参数计算得出蓄电池内电阻初始值以及一加权补偿度因子，从而计算得到最终修正后的蓄电池内电阻值。本发明具有以下有益效果：通过软硬件电路提高精度，不仅通过硬件滤波电路，还通过改进内电阻计算算法，综合考虑影响参数对电池内电阻的影响权重从而实现对内电阻失准的补偿。

Description

一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种蓄电池内电阻检测系统及方法，具体涉及一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测系统及方法。

背景技术

蓄电池作为电源系统停电时的备用电源，已广泛应用于工业生产，以及交通、通信等行业。如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故 ，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测。蓄电池状态的重要标志之一就是它的内阻。无论是蓄电池即将失效、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。因此可以通过测量蓄电池的内阻 ，对其工作状态进行评估。目前测量蓄电池内阻的常见方法有：

（1）密度法

密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开 口式铅酸电池的内阻测量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量 ，该方法的适用范围窄。

（2）开路电压法

开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池 ,在浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。

（3）直流放电法

直流放电法就是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，通过欧姆定律计算出电池内阻。虽然这种方法在实践中也得到了广泛的应用，但是它也存在一些缺点。如用该方法对蓄电池内阻进行检测必须是在静态或是脱机状态下进行，无法实现在线测量。而且大电流放电会对蓄电池造成较大的损害，从而影响蓄电池的容量及寿命。

（4）交流注入法

交流注入法通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号Is，测量出蓄电池两端的电压响应信号 Vo , 以及两者的相位差θ,由阻抗公式及来确定蓄电池的内阻 R 。该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻 ,故不会对蓄电池的性能造成影响。但该方法需要测量交流电流信号 Is、电压响应信号 Vo , 以及电压和电流之间的相位差θ。 由此可见 ,这种方法不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性,也影响了测量精度。

( 5 ) 四端子测量法

为提高测量精度,激励信号加到四端子测头上, 两个端子用于施加激励信号, 另两个端子用于测量。这种测量方式能够克服测量端子接触电阻的影响, 消除因测量端子接触电阻而产生的系统误差,通过在电流端回路中串联一取样电阻，经过AD 变换 , 计算机就可得到电池上的交流电压和交流电流, 从而计算出交流内阻。

而在实际测量中 ,由于电池内阻很小 ,干扰和噪声对它的影响就会很大 , 影响电池内电阻测量精度的各个因素也不可忽略 。蓄电池的内阻由欧姆极化(导体电阻)和电化学极化及浓差极化电阻三个部份组成。在充放电过程中电阻是变化的，充电过程内阻由大变小，反之内阻增加。蓄电池内阻是由诸多因素构成的动态电阻，经过多次的检测实验发现主要影响蓄电池内电阻检测结果的两个重要因素有温度T和放电电流的大小I，并且上述两个因素对检测结果会造成不同的影响程度。在检测过程中，发现低温状态如0℃以下，温度每下降10℃，内阻约增大15%，在较高温度时，如10℃以上，极化电阻下降，但导体电阻却随温度增加而上升，不过上升的速率较小。另外，蓄电池的内阻与放电电流的大小有关，瞬间的大电流放电，由于极板空隙内的硫酸溶液迅速稀释，而极板孔外90%以上溶液中硫酸分子来不及扩散到极板空隙中去。这样，极板孔中溶液比电阻增加，端电压明显下降。但停止放电后，随着浓度高的硫酸分子向极板空隙中扩散，极板孔中溶液比电阻下降，端电压回升。所以有效地抑制干扰和噪声 ,提高测量精度在内阻测量中就变得十分重要 。上述几种检测方法均没有考虑蓄电池温度和放电电流的大小这两个重要因素的对电池内电阻检测的影响，如蓄电池温度、放电电流，所以上述这几种方法都不可能抑制干扰和噪声。

因此为了避免上述因素对电池内电阻的检测结果造成失准，必须要对上述因素影响内阻测量值失准这一问题进行补偿，减少因不必要的电池更换导致发生经济损失和资源浪费。尽管在系统中已经采用了很多硬件滤波补偿的方法，但由于上述因素均为强干扰，很难在现实中完全屏蔽掉，因此会导致关于内阻的测量数值产生突增，会使设备误报数值。所以有效地抑制干扰和噪声 ,提高测量精度在内阻测量中就变得十分重要 。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明提供一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测系统及方法,通过引入影响内电阻精度各参数的补偿，且综合考虑影响内电阻精度测量的各参数在测量过程中所起到不同的影响程度，有效地克服了噪声和干扰,提高内电阻测量精度，且测量速度快、成本低。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

提供一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，该检测方法包括以下步骤：

（1）内电阻检测模块同时采集蓄电池电压信号、放电电流及蓄电池温度参数；

（2）将上述采集的蓄电池电压信号经过信号调理电路进行滤波放大及AD转换处理；同时对上述采集的放电电流、蓄电池温度参数进行AD转换处理；

（3）将上述AD转换后的蓄电池电压信号送入单片机进行内电阻初始值计算；同时将上述AD转换后的蓄电池温度、放电电流信号送入单片机进行处理，通过加权补偿度因子计算模块计算得出一加权补偿度因子；

（4）最后内电阻修正计算模块基于内电阻初始值以及加权补偿度因子计算得到最终补偿后的蓄电池内电阻值。

步骤（1）中的内阻检测模块由正弦波的发生电路、滤波、放大以及AD电路构成，同时还包括温度检测模块，放电电流检测模块。

步骤（2）中的将上述采集的蓄电池电压信号经过信号调理电路进行滤波放大及AD转换处理具体为：内阻检测模块将蓄电池两端上的正弦波电压响应信号与电流恒流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过相敏检波和低通滤波器电路 ,使交流信号转变为直流信号 , 直流信号经直流放大模块放大后再进行模数转换。

步骤（3）中的内电阻初始值通过以下步骤计算得出：

设正弦信号为

（1）

蓄电池两端的响应电压信号为 :

（2）

θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差 ，A为正弦信号幅值系数，B为响应电压信号幅值系数； 通过模拟乘法器后有：

=0.5kAB［］ （3）

k 为模拟乘法器的放大系数；

进行低通滤波后滤掉交流成分,得：

u= （4）

由交流法测内阻原理得： （5）

式中 , I为交流恒流源信号 的最大值；比较 公式( 4 ) 、 ( 5 ) 可得补偿前蓄电池内电阻值：

（6）

上式 中 k 、 A 、 I 都是已知量，而 u 为经过A- D 采样送到单片机进行处理的采样值 。

步骤（3）中的通过加权补偿度因子计算模块计算加权补偿度因子具体通过以下步骤实现：

首先对电池温度T和电池放电电流的大小I这两个自变量以及电池内电阻R这个因变量进行数据分析描述：

设单位周期内t时刻所采集的电池温度值为T(n),t时刻所对应的温度影响参数权重为ωn（n=1,2,…,n）；

故将电池温度值序列T(1)(n)作一阶差分所得的差对应至温度影响参数权重的差,由此可得到线性方程组：

(7)

求解上述线性方程组(7)，从而得到单位周期内各采样t时刻所对应的温度影响参数权重；

同理，设单位周期内t时刻所采集的电池放电电流为I(n),t时刻所对应的电池放电电流影响参数权重为（n=1,2,…,n）；

故将电池放电电流值序列I(1)(n)作一阶差分所得的差对应至放电电流影响参数权重的差,由此可得到线性方程组：

(8)

求解上述线性方程组（8），从而得到单位周期内各采样t时刻所对应的电池放电电流影响参数权重，

将上述所得的各影响参数权重引入电池内电阻计算，可得一加权补偿度因子C：

(9)。

步骤（4）中的最终补偿后的蓄电池内电阻值通过公式（10）计算得到：

(10)；

通过多次实验仿真计算，通常情况下，加权补偿度因子C取值范围为0，为通过公式（6）计算得出的未补偿前的蓄电池内电阻初始值。

本发明还提供一种用于实现所述的基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法的蓄电池内电阻检测系统，该检测系统包括：内阻检测模块、由MSP430单片机构成的主控模块、电源模块、RS485通信模块、CAN通信模块、JATG接口以及显示模块；

该系统通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数，同时将上述采集的参数经过AD转换后送至MSP430单片机中进行数据处理，从而计算得到最终修正后的蓄电池内电阻值，同时把处理的结果显示在液晶屏上，实现蓄电池内阻测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本申请内电阻检测模块不仅通过硬件滤波电路有效地克服了噪声和干扰,而且还结合改进软件算法快速获得稳定、精确的内阻测量数据, 双重提高精度，实现完全的在线检测, 检测原理简单，并且简化了设计；

2、本申请不仅通过引入影响内电阻测量精度各参数的补偿，且还综合考虑影响内电阻精度测量的各参数在测量过程中所起到不同的影响程度，在计算蓄电池内电阻综合考虑影响蓄电池健康状态的主要两个因素放电电流、电池温度，通过引入加权补偿度因子对失准问题进行补偿，更加接近实际的蓄电池的健康状态，进一步提高内电阻测量精度，且测量速度快、成本低。

附图说明

图1 为现有技术四端子测量方式等效电路图

图2 为本发明蓄电池内电阻检测系统硬件结构图

图3为本发明蓄电池内阻检测模块工作原理示意图

图4为本发明蓄电池内电阻检测方法的流程图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合图示对本发明实施方式作进一步地详细描述。

图1为四端子测量方式等效电路图。R1 ，R2 , R3 和 R4 是等效接触电阻；RS 是电池的等效内阻；i1 是激励电流；i2 是测量电流。

图2所示为本发明蓄电池内电阻检测系统硬件结构图。在检测系统的扩展和配置设计中，本发明综合考虑软硬件兼顾、满足低功耗的要求以及提高可靠性、抗干扰性并结合蓄电池内阻测量控制系统要实现的功能，设计了如图2所示的系统硬件框图。该检测系统包括：内阻检测模块、由MSP430单片机构成的主控模块、电源模块、RS485通信模块、CAN通信模块、JATG接口以及显示模块等设计。

其中主控模块采取MSP430系列单片机，该单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求处理能力强、功耗低的场合，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；并且MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等），具有处理能力强，运算速度快优点。

本发明的蓄电池内电阻检测系统工作原理：通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数，同时将上述采集的参数经过AD转换后送至MSP430单片机中进行数据处理，从而计算得到最终修正后的蓄电池内电阻值，同时把处理的结果显示在液晶屏上，实现蓄电池内阻测量。

图3 为本发明蓄电池内阻检测模块工作原理示意图。内阻检测模块是系统的核心和重要部分，其设计精度要比较高，信号处理效果直接影响测量结果。由于检测信号为微小信号，容易受到外界环境的干扰， 所以在对信号检测的过程中，需要对信号进行检测和调理。

内阻检测模块由正弦波的发生电路、滤波、放大以及AD电路构成，同时还包括温度检测模块，放电电流检测模块。其具体工作原理为：将蓄电池两端上的正弦波电压响应信号与电流恒流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过相敏检波和低通滤波器电路 ,使交流信号转变为直流信号 , 直流信号经直流放大模块放大后再进行模数转换 , 将转换后的值送入单片机进行内电阻初始值计算，同时通过温度检测模块、放电电流检测模块实现蓄电池温度参数、放电电流值参数采集，将上述采集的温度、电流参数经过模数转换后送入单片机进行处理，通过加权补偿度因子计算模块计算得出一加权补偿度因子；最后通过内电阻修正计算模块计算得到最终补偿后的蓄电池内电阻值。其中温度检测模块、放电电流检测模块可通过霍尔传感器或者内嵌于单片机内的模块电路实现；另外，上述电流恒流源的正弦信号为单片机输出的SPWM信号经低通滤波器而得到的。

为减少因导线长短不一以及端子接触面积不统一等问题对测量产生的影响，引入四线法对电池进行布线，这样就可以区分开注入信号的电路和测量电路，减少相互之间的干扰。四端子测量方式将蓄电池两端上的电压响应信号通过交流差分电路与产生恒定交流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过滤波电路 ,使交流信号转变为直流信号 , 直流信号经直流放大器放大后再进行模数转换 , 将转换后的值送入单片机。测量时两个端子施加一频率为 10kHz 士0.1 kHz的恒定交流激励电流信号，另两个端子用于测量 。测量工作原理如图2所 示 ，响应信号是指蓄电池注入交流恒流源后，在其两端测出的交流电压号 。而正弦信号是经 D-A 产生的作为压控恒流的输入信号。设正弦信号为

（1）

蓄电池两端的响应电压信号为 :

（2）

θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差，A为正弦信号幅值系数，B为响应电压信号幅值系数。 通过模拟乘法器后有：

=0.5kAB［］（3）

k 为模拟乘法器的放大系数 。

进行低通滤波后滤掉交流成分,得：

u= （4）

由交流法测内阻原理得： （5）

式中 , I为交流恒流源信号 的最大值。比较 ( 4 ) 、 ( 5 ) 可得补偿前蓄电池内电阻值：

（6）

上式 中 k 、 A 、 I 都是已知量，而 u 为经过A- D 采样送到单片机进行处理的采样值 , 所以在单片机中进行一个简单的除法运算可得到补偿前蓄电池内阻值。

而在实际测量中，由于电池内阻很小，干扰和噪声对它的影响就会很大 , 影响电池内电阻测量精度的各个因素也不可忽略。尽管在系统中已经采用了很多硬件滤波补偿的方法，但由于上述因素均为强干扰，很难在现实中完全屏蔽掉，因此会导致关于内阻的测量数值产生突增，会使设备误报数值。蓄电池内阻是由诸多因素构成的动态电阻，经过多次的检测实验发现主要影响电池内电阻检测结果的两个重要因素有温度T和放电电流的大小I，并且上述两个因素对检测结果会造成不同的影响程度。现有技术中的检测方法均没有考虑蓄电池温度和放电电流这两个重要因素的对蓄电池内电阻检测的影响，为了避免上述因素对电池内电阻的检测结果造成失准，必须要对上述因素影响内阻测量值失准这一问题进行补偿，从而抑制干扰和噪声，进一步提高内电阻测量精度。

本发明使用了多元非线性回归算法，通过上述2个自变量对内阻值进行多元回归预测建模，并把模型应用到内阻测量系统的软件程序中，使内阻测量系统可以在一定触发条件下判断系统是否出现了测量失准，通过算法预测出接近电池内阻值的策略，补偿因以上因素导致的测量内阻值失准，从而用软件算法的方式补偿了内阻测量的精准性，使得更加接近实际的蓄电池的健康状态。

首先对电池温度T和电池放电电流的大小I这两个自变量以及电池内电阻R这个因变量进行数据分析描述：

设单位周期内t时刻所采集的电池温度值为T(n),t时刻所对应的温度影响参数权重为ω_n（n=1,2,…,n）；

故将电池温度值序列T⁽¹⁾ _(n)作一阶差分所得的差对应至温度影响参数权重的差,由此可得到线性方程组：

(7)

求解上述线性方程组(7)，从而得到单位周期内各采样t时刻所对应的温度影响参数权重；

同理，设单位周期内t时刻所采集的电池放电电流为I(n),t时刻所对应的电池放电电流影响参数权重为（n=1,2,…,n）；

故将电池放电电流值序列I⁽¹⁾ _(n)作一阶差分所得的差对应至放电电流影响参数权重的差,由此可得到线性方程组：

(8)

求解上述线性方程组（8），从而得到单位周期内各采样t时刻所对应的电池放电电流影响参数权重，

将上述所得的各影响参数权重引入电池内电阻计算，可得一加权补偿度因子

(9)

因此通过推导得出，基于加权补偿计算得出的最终蓄电池的内电阻值

(10)

通过多次实验仿真计算，通常情况下，加权补偿度因子C取值范围为0，为通过公式（6）计算得出的未补偿前的蓄电池内电阻初始值。

图4为本申请蓄电池内电阻检测方法的流程图。该检测方法主要包括以下步骤：

（1）内电阻检测模块同时采集蓄电池电压信号、放电电流及蓄电池温度参数；

（2）将上述采集的蓄电池电压信号经过信号调理电路进行滤波放大及AD转换处理；同时对上述采集的放电电流、蓄电池温度参数进行AD转换；

（3）将上述AD转换后的蓄电池电压信号送入单片机进行内电阻初始值计算；同时将上述AD转换后的蓄电池温度、放电电流信号送入单片机进行处理，通过加权补偿度因子计算模块计算得出一加权补偿度因子；

（4）最后通过内电阻修正计算模块利用相关公式计算得到最终补偿后的蓄电池内电阻值。

以上对本发明所提供的一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测系统及方法进行了详细介绍，本具体实施方式中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：

（1）内电阻检测模块同时采集蓄电池电压信号、放电电流及蓄电池温度参数；

（2）将上述采集的蓄电池电压信号经过信号调理电路进行滤波放大及AD转换处理；同时对上述采集的放电电流、蓄电池温度参数进行AD转换处理；

（3）将上述AD转换后的蓄电池电压信号送入单片机进行内电阻初始值计算；同时将上述AD转换后的蓄电池温度、放电电流信号送入单片机进行处理，通过加权补偿度因子计算模块计算得出一加权补偿度因子；

（4）最后内电阻修正计算模块基于内电阻初始值以及加权补偿度因子计算得到最终补偿后的蓄电池内电阻值。

2.根据权利要求1所述的一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，其特征在于：步骤（1）中的内阻检测模块由正弦波的发生电路、滤波、放大以及AD电路构成，同时还包括温度检测模块，放电电流检测模块。

3.根据权利要求2所述的一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，其特征在于：步骤（2）中的将上述采集的蓄电池电压信号经过信号调理电路进行滤波放大及AD转换处理具体为：内阻检测模块将蓄电池两端上的正弦波电压响应信号与电流恒流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过相敏检波和低通滤波器电路 ,使交流信号转变为直流信号 , 直流信号经直流放大模块放大后再进行模数转换。

4.根据权利要求1所述的一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，其特征在于：步骤（3）中的内电阻初始值通过以下步骤计算得出：

设正弦信号为

（1）

蓄电池两端的响应电压信号为 :

（2）

θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差 ，A为正弦信号幅值系数，B为响应电压信号幅值系数； 通过模拟乘法器后有：

=0.5kAB［］ （3）

k 为模拟乘法器的放大系数；

进行低通滤波后滤掉交流成分,得：

u= （4）

由交流法测内阻原理得： （5）

式中 , I为交流恒流源信号 的最大值；比较 公式( 4 ) 、 ( 5 ) 可得补偿前蓄电池内电阻值：

（6）

上式 中 k 、 A 、 I 都是已知量，而 u 为经过A- D 采样送到单片机进行处理的采样值 。

5.根据权利要求1所述的一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，其特征在于：步骤（3）中的通过加权补偿度因子计算模块计算加权补偿度因子具体通过以下步骤实现：

首先对电池温度T和电池放电电流的大小I这两个自变量以及电池内电阻R这个因变量进行数据分析描述：

设单位周期内t时刻所采集的电池温度值为T(n),t时刻所对应的温度影响参数权重为ω_n（n=1,2,…,n）；

故将电池温度值序列T⁽¹⁾ _(n)作一阶差分所得的差对应至温度影响参数权重的差,由此可得到线性方程组：

(7)

求解上述线性方程组(7)，从而得到单位周期内各采样t时刻所对应的温度影响参数权重；

同理，设单位周期内t时刻所采集的电池放电电流为I(n),t时刻所对应的电池放电电流影响参数权重为（n=1,2,…,n）；

故将电池放电电流值序列I⁽¹⁾ _(n)作一阶差分所得的差对应至放电电流影响参数权重的差,由此可得到线性方程组：

(8)

求解上述线性方程组（8），从而得到单位周期内各采样t时刻所对应的电池放电电流影响参数权重，

将上述所得的各影响参数权重引入电池内电阻计算，可得一加权补偿度因子C：

(9) 。

6.根据权利要求5所述的一种基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法，其特征在于：步骤（4）中的最终补偿后的蓄电池内电阻值通过公式（10）计算得到：

(10)；

通过多次实验仿真计算，通常情况下，加权补偿度因子C取值范围为0，为通过公式（6）计算得出的未补偿前的蓄电池内电阻初始值。

7.一种用于实现权利要求1-6中任一项所述的基于加权补偿度因子的蓄电池内电阻检测方法的蓄电池内电阻检测系统，其特征在于，该检测系统包括：内阻检测模块、由MSP430单片机构成的主控模块、电源模块、RS485通信模块、CAN通信模块、JATG接口以及显示模块。

8.根据权利要求7所述的蓄电池内电阻检测系统，其特征在于：该系统通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数，同时将上述采集的参数经过AD转换后送至MSP430单片机中进行数据处理，从而计算得到最终修正后的蓄电池内电阻值，同时把处理的结果显示在液晶屏上，实现蓄电池内阻测量。