CN109212430A - 一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池检测，具体涉及一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量方法及系统，设置好脉冲恒流源的频率f，在待测电池两端施加频率f的交流小信号，对电池进行脉冲式放电，将待测电池产生的瞬时反馈信号经过RC滤波后送入运算放大器进行放大处理，再由ADC进行模数转换，将模数转换信号送入MCU中进行分析，并计算出阻抗；本发明所提供的技术方案能够有效克服现有技术所存在的测量速度慢、测量准确性较低的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及电池检测，具体涉及一种基于模拟交流小信号的电池 阻抗测量方法和系统。
背景技术
蓄电池(Storage Battery)是将化学能直接转化成电能的一种装置， 是按可再充电设计的电池，通过可逆的化学反应实现再充电。蓄电池 通常指铅酸蓄电池，它是电池中的一种，属于二次电池。它的工作原 理：充电时利用外部的电能使其内部活性物质再生，将电能储存为化 学能，需要放电时把化学能转换为电能输出。比如生活中常用的汽车 蓄电池，摩托车蓄电池，电瓶车蓄电池以及现在满大街都可见的电动 自行车蓄电池，还有一些UPS后备电源电池，移动基站备用电源电池 等。
铅酸蓄电池的物理化学特性可以用一个简单的等效电路来表示， 比如：Ri表示串联电阻，Rp表示充电转移电阻，C表示电池极板表 面面积相关的电容，W表示warburg阻抗，Is表示串联电感等。
国内外目前比较流行的电池检测技术多采用电导或者电阻，鲜有 利用阻抗检测电池健康状况的案例。
电阻测试法，电阻测试法采用的是直流放电法，其电信号频率为0， 无法测定出电池中那些表现电容的部分。在实际测试中，采用电阻测 试的方法其结果重复性不高，特别是当测试UPS等干扰较大的蓄电池 时，测试同一电池也不能获得稳定、重复的测试结果，最终的测试结 果失去价值，无法判定蓄电池的健康状况。
电导测试法，电导测试法基本采用了较低的测试频率，几赫兹至 30赫兹，低于理想的测试频率，无法完整地获得有关Rp和W的信息， 且易受到外界工频信号的干扰。虽然也能在一定程度上反应出蓄电池 的健康状况，但其效果没有检测阻抗的方法更佳。
本发明中所施加的交流电信号的频率非常关键，如果交流电信号 的频率过高，就无法获得有关Rp和W的信息；相应的，如果电信号 的频率过低，C的值就会为0。要在电路中获取最多信息，即最大程度 地反映电池的物理化学属性，电信号的理想频率应在100Hz左右。因 此，需要首先施加一个交流电信号，测量其瞬时的反馈信号，然后计 算该电池的交流阻抗值(与施加的交流电信号频率相对应)。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种蓄电池检测 系统，能够有效克服现有技术所存在的测量速度慢、测量准确性较低 的缺陷。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量方法，其特征在于：包 括以下步骤：S1、设置好脉冲恒流源的频率f，在待测电池两端施加频 率f的交流小信号，对电池进行脉冲式放电；S2、将待测电池产生的 瞬时反馈信号经过RC滤波后送入运算放大器进行放大处理，再由ADC 进行模数转换；S3、将模数转换信号送入MCU中进行分析，并计算出 阻抗。
其中，优选方案为：所述S1中脉冲恒流源的频率f为100Hz，所 述脉冲恒流源的大小为1A。
本发明还包括一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量的系统， 其特征在于：包括待测电池，脉冲恒流电路，信号调理电路和监测电 路，所述待测电池两端施加脉冲恒流电路产生的交流小信号后产生瞬 时反馈信号，所述瞬时反馈信号经过信号调理电路后送入MCU中，所 述MCU进行分析并计算出待测电池的阻抗。
其中，优选方案为：所述脉冲恒流电路中的恒流源通过R与频率 为100Hz的PWM信号相连，所述恒流源一端通过RL与待测电池的正 极相连，所述恒流源另一端通过Rs与待测电池的负极相连，所述RL 为10ohm。
其中，优选方案为：所述信号调理电路中的C1、C2对瞬时反馈信 号进行通交流隔直流，去除共模电压的影响，所述信号调理电路中的 R1、R2、R3、R4构成一级放大电路，所述信号调理电路中的R5、R6 构成二级放大电路，所述信号调理电路中的C3、C4防止经过放大后的 信号发生自激振荡。
其中，优选方案为：所述一级放大电路、二级放大电路的放大倍 数均为10倍。
其中，优选方案为：所述监测电路包括运算放大器，所述运算放 大器正输入端与脉冲恒流电路相连，所述运算放大器正输入端通过Rs 接地，所述运算放大器负输入端与运算放大器输出端接入ADC，所述 监测电路用于监测脉冲恒流电路产生的电流稳定性。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明所提供的一种蓄电池检测系统具有以下
有益效果：
1)无大电流放电，仅需从待测电池中取用很小的电流(交流电信 号施加时约1A，待机时约10mA左右)；
2)测试过程中无打火现象，保证测试过程安全；
3)测量前无需对待测电池进行充放电准备，即可根据当前电池的 阻抗、电压、放电特性对电池进行好坏的判断；
4)测量时间快，仅需3-4s即可完成测试；
5)对待测电池阻抗进行深度分析，综合评估电池的健康状况；
6)根据阻抗和电压测试情况，对待测电池进行评级划分，方便实 际使用中对电池进行快速分组、配组。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而 易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域 普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些 附图获得其他的附图。
图1为本发明测试系统总体结构示意图；
图2为本发明脉冲恒流电路结构示意图；
图3为本发明信号调理电路结构示意图；
图4为本发明监测电路结构示意图；
图5为现有铅酸蓄电池的等效电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有 作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。
一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量系统，如图2至图5所 示，包括待测电池，脉冲恒流电路，信号调理电路和监测电路，待测 电池两端施加脉冲恒流电路产生的交流小信号后产生瞬时反馈信号， 瞬时反馈信号经过信号调理电路后送入MCU中，MCU进行分析并计 算出待测电池的阻抗。
脉冲恒流电路中的恒流源通过R与频率为100Hz的PWM信号相 连，恒流源一端通过RL与待测电池的正极相连，恒流源另一端通过 Rs与待测电池的负极相连，RL为10ohm。
信号调理电路中的C1、C2对瞬时反馈信号进行通交流隔直流，去 除共模电压的影响，信号调理电路中的R1、R2、R3、R4构成一级放 大电路，信号调理电路中的R5、R6构成二级放大电路，信号调理电路 中的C3、C4防止经过放大后的信号发生自激振荡。
一级放大电路、二级放大电路的放大倍数均为10倍。
监测电路包括运算放大器，运算放大器正输入端与脉冲恒流电路 相连，运算放大器正输入端通过Rs接地，运算放大器负输入端与运算 放大器输出端接入ADC，监测电路用于监测脉冲恒流电路产生的电流 稳定性。
该方法采用被动式交流小信号，利用低频信号抗干扰性强的特点， 本发明中选择100Hz的信号频率，对待测电池施加一个PWM控制信 号，在待测电池上产生一个1A的交流信号，同时通过运放等模拟电路 对待测电池进行采样和监控，最终计算出电池的阻抗(与施加的交流 电信号频率相对应)。
电路上设计了一个类恒流源电路，通过PWM控制该电路在待测 电池上产生一个1A的交流信号，后端用运放、电阻、电容等元器件搭 建一个信号调理电路，对待测电池产生的瞬时反馈信号进行实时监控 和采样，采样信号被送到ADC进行模数转换并将数据存储到MCU中 进行分析计算。
本发明所提供的一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量方法及 系统具有以下有益效果：
1)无大电流放电，仅需从待测电池中取用很小的电流(交流电信 号施加时约1A，待机时约10mA左右)；
2)测试过程中无打火现象，保证测试过程安全；
3)测量前无需对待测电池进行充放电准备，即可根据当前电池的 阻抗、电压、放电特性对电池进行好坏的判断；
4)测量时间快，仅需3-4s即可完成测试；
5)对待测电池阻抗进行深度分析，综合评估电池的健康状况；
6)根据阻抗和电压测试情况，对待测电池进行评级划分，方便实 际使用中对电池进行快速分组、配组。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不 会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范 围。
Claims (7)
1.一种基于模拟交流小信号的电池阻抗测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、设置好脉冲恒流源的频率f，在待测电池两端施加频率f的交流小信号，对电池进行脉冲式放电；
S2、将待测电池产生的瞬时反馈信号经过RC滤波后送入运算放大器进行放大处理，再由ADC进行模数转换；
S3、将模数转换信号送入MCU中进行分析，并计算出阻抗。
2.根据权利要求1所述的基于模拟交流小信号的电池阻抗测量方法，其特征在于：所述S1中脉冲恒流源的频率f为100Hz，所述脉冲恒流源的大小为1A。
3.根据权利要求1所述的基于模拟交流小信号的电池阻抗测量系统，其特征在于：包括待测电池，脉冲恒流电路，信号调理电路和监测电路，所述待测电池两端施加脉冲恒流电路产生的交流小信号后产生瞬时反馈信号，所述瞬时反馈信号经过信号调理电路后送入MCU中，所述MCU进行分析并计算出待测电池的阻抗。
4.根据权利要求3所述的基于模拟交流小信号的电池阻抗测量系统，其特征在于：所述脉冲恒流电路中的恒流源通过R与频率为100Hz的PWM信号相连，所述恒流源一端通过RL与待测电池的正极相连，所述恒流源另一端通过Rs与待测电池的负极相连，所述RL为10ohm。
5.根据权利要求3所述的基于模拟交流小信号的电池阻抗测量系统，其特征在于：所述信号调理电路中的C1、C2对瞬时反馈信号进行通交流隔直流，去除共模电压的影响，所述信号调理电路中的R1、R2、R3、R4构成一级放大电路，所述信号调理电路中的R5、R6构成二级放大电路，所述信号调理电路中的C3、C4防止经过放大后的信号发生自激振荡。
6.根据权利要求5所述的基于模拟交流小信号的电池阻抗测量系统，其特征在于：所述一级放大电路、二级放大电路的放大倍数均为10倍。
7.根据权利要求3所述的基于模拟交流小信号的电池阻抗测量系统，其特征在于：所述监测电路包括运算放大器，所述运算放大器正输入端与脉冲恒流电路相连，所述运算放大器正输入端通过Rs接地，所述运算放大器负输入端与运算放大器输出端接入ADC，所述监测电路用于监测脉冲恒流电路产生的电流稳定性。
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