CN110275066A - 一种超级电容内阻检测方法、装置和计算机可读存储介质 - Google Patents

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张遥奇
吴双双
柏文琦
林海军
黄国良
张蓉
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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/08—Measuring resistance by measuring both voltage and current

Abstract

本发明公开了一种超级电容内阻测定方法、装置和计算机可读存储介质，所提供的方法步骤包括：S1：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U；S2：采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)；S3：利用锁相放大模块将超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)；S4：对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理，得到Uo1；S5：根据公式获得超级电容的内阻值，其中Rs为取样电阻。本发明提高了超级电容内阻测量的准确性，简化检测方法和检测装置设计。

Description

一种超级电容内阻检测方法、装置和计算机可读存储介质
技术领域
本发明主要涉及电子器件检测技术领域，特指一种超级电容内阻检测方法、装置和计算机可读存储介质。
背景技术
超级电容作为新型化学电源，以其功率密度高、循环寿命长、安全性好、绿色环保等特点，成为了目前各国政府大力扶持和发展的重点战略研究对象，也是许多科研者研究的重点与热点。随着超级电容技术的日益成熟，应用领域不断扩大，不仅广泛用于各种便携式电子设备，而且还应用于电动汽车、功率补偿设备等，具有广阔的前景。
串联等效电阻是超级电容的重要参数之一，是评估超级电容性能的重要指标。超级电容内阻检测为保证其使用过程中的可靠性、安全性、延长超级电容使用寿命提供了依据。
现有超级电容内阻检测方法主要分为以下几类：
(1)交流注入法
利用交流注入法测量超级电容内阻时，需向超级电容注入交流电流信号，其电流有效值为I，然后测量出超级电容的输出电压，其电压有效值为U。以及超级电容输出电压与电流的相位差Δθ，因此超级电容的阻抗可表示为：
则超级电容的内阻为：
交流注入法不需对超级电容进行放电处理，可实现超级电容内阻的在线测量。由于超级电容的内阻值为几毫欧，因此U的值一般是mV级，信号微弱，测量时极易被噪声淹没。
(2)直流注入法
直流注入法采用直流恒流源对超级电容进行充电，其电流有效值为I。当充电电压达到超级电容的额定电压时，再对超级电容进行放电处理，其放电瞬间，超级电容的电压会有一个跳跃式的压降ΔU3。则超级电容内阻为：
直流注入法不能实现超级电容内阻的在线测量，且离线大电流放电会影响超级电容的使用寿命与质量。
目前，超级电容内阻检测装置根据交流注入法的原理设计，其电路设计复杂，测量精度低，且注入信号频率单一，不利于全面了解超级电容内阻。
发明内容
针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种超级电容内阻的测定方法、装置和计算机可读存储介质，能提高超级电容内阻测量的准确性，简化检测方法和检测装置设计。
为解决上述技术问题，本发明第一方面提供了一种超级电容内阻的测定方法，所述方法包括：
S1：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U
S2：采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)；
S3：利用锁相放大模块将超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法
运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)；
S4：对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理，得到Uo1；
S5：根据公式获得超级电容的内阻值，其中Rs为取样电阻。
作为本发明的进一步改进：步骤S1包括：
S01：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U，将正弦信号U进行V/I转换，获得电流信号；
S02：放大电流信号并进行滤波处理，获得恒定电流。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S4的具体步骤为：对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理并进行A/D转换，得到Uo1。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S1之前还包括步骤S001：将超级电容和取样电阻串联。
本发明第二方面提供了一种超级电容内阻测定装置，所述装置包括：
交流电压源模块，用于向超级电容和取样电容提供正弦信号U；
V-I转换模块，用于将交流电压源模块输入正弦信号U进行V/I转换，获得电流信号；
调理模块，用于信号放大和滤波处理，获得恒定电流；
锁相放大模块，用于采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Uo1；
A/D转换模块，用于将超级电容等效内阻两端的输出电压Uo1进行A/D转换，输出电压信号至处理器；
处理器，用于获取超级电容的内阻值；
所述交流电压源模块与所述V-I转换模块并联，所述调理模块与所述A/D转换模块连接，所述A/D转换模块与所述处理器连接。
作为本发明的进一步改进：所述调理模块包括交流差分放大单元和低通滤波单元，所述交流差分放大单元用于放大电流信号，所述低通滤波单元用于对放大后的电流信号进行滤波处理。
作为本发明的进一步改进：还包括显示模块，所述显示模块用于显示超级电容的内阻值。
本发明第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的超级电容内阻检测方法，基于锁相放大技术对超级电容内阻进行检测，可有效抑制噪声的干扰，简化了整个测试过程，提高了内阻检测的准确度，利用本发明的装置对超级电容内阻进行检测，其重复性误差能满足不超过3％，符合超级电容检测的要求。
附图说明
图1为本发明在具体实施例中超级电容内阻测定方法的流程示意图。
图2为本发明在具体实施例中超级电容内阻测定装置的结构示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1至图2所示，本发明公开了一种超级电容内阻测定方法，步骤包括：
S1：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U
S2：采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)；
S3：利用锁相放大模块将超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)；
S4：对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理，得到Uo1；
S5：根据公式获得超级电容的内阻值，其中Rs为取样电阻。
本实施例通过向超级电容与取样电阻输入正弦信号U，采集超级电容的电压u(t)和取样电阻的电压ur(t)，以取样电阻的输出电压ur(t)为参考信号，超级电容的输出电压u(t)为输入信号，利用锁相放大模块对超级电容的电压u(t)和取样电阻的电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)，对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理，得到Uo1；即可根据公式计算超级电容的内阻值。由于利用了锁相放大运算，简化了整个测试过程，提高了内阻检测的准确度，采用基于锁相放大运算的超级电容内阻检测装置的重复性误差能满足不超过3％，符合超级电容检测的要求。
在较佳实施例中，步骤S1包括：S01：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U，将正弦信号U进行V/I转换，获得电流信号。S02：放大电流信号并进行滤波处理，获得恒定电流，确保超级电容和取样电容的输出电压稳定。电流的大小为：i(t)＝Isin(ωt)，取样电阻的输出电压ur(t)和超级电容的输出电压u(t)分别为：
ur(t)＝IRs sin(ωt)；其中Rs为取样电阻，R为超级电容的内阻。
本实施例中，步骤S3中利用锁相放大模块完成乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)，其中锁相放大模块的输出的Us1(t)为：
锁相放大模块的输出电压Us1(t)经低通滤波器处理后，即为：
式(2)中，T为交流恒流信号i(t)的周期，I、Rs、ω均为已知值。因此，超级电容的内阻R为：
需要说明的是，以上为本发明的较佳实施例，利用锁相放大运算不局限于本实施例的计算方法或步骤，利用锁相放大模块运算获取超级电容内阻值的其他计算方法或步骤也应属于本发明保护范围。
本实施例中，所述步骤S1之前还包括步骤S001：将超级电容和取样电阻串联。
本实施例实现超级电容内阻检测的详细流程为：
首先将超级电容和取样电阻串联，然后向超级电容与取样电阻输入正弦信号U，例如输入1KHz的正弦波，通过V-I转换进行V/I转换，获得电流信号，然后放大电流信号并进行滤波处理；输出恒定电流；采集超级电容的输出电压作为输入信号，采集取样电阻的电压作为参考信号；利用锁相放大模块完成输入信号与参考信号的乘法运算，获得超级电容等效内阻两端输出电压，通过公式获得超级电容的内阻。
本实施例还提供了一种超级电容内阻检测装置，包括：
交流电压源模块，用于向超级电容和取样电容提供正弦信号U；
V-I转换模块，用于将交流电压源模块输入正弦信号U进行V/I转换，获得电流信号；
调理模块，用于放大电流信号并进行滤波处理，获得恒定电流；
锁相放大模块，用于采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Uo1；
A/D转换模块，用于将超级电容等效内阻两端的输出电压进行A/D转换，输出电压信号至处理器；
处理器，根据公式获得超级电容的内阻值，其中Rs为取样电阻；
所述交流电压源模块与V-I转换模块并联，调理模块与A/D转换模块连接，A/D转换模块与处理器连接。
利用本实施例中的超级电容内阻检测装置对超级电容内阻进行测定，通过交流电压源模块提供正弦信号U，作为V-I转换模块的输入级信号，通过V-I转换模块完成V/I转换，获得电流信号，调理模块完成电流信号放大及滤波处理，使电流恒定；通过锁相放大模块采集超级电容的输出电压和取样电阻的输出电压，并完成乘法运算，获得超级电容等效内阻的输出电压，经A/D转换模块转换，输出电压信号至处理器，处理器根据公式获取超级电容的内阻值。基于锁相放大运算的超级电容内阻检测装置的对超级电容内阻进行测定，能满足重复性不超过3％，符合超级电容内阻检测的要求。
本实施例中，调理模块包括交流差分放大单元和低通滤波单元，交流差分放大单元用于放大电流信号，低通滤波单元用于对放大后的电电流信号进行滤波处理，获得恒定电流。由于超级电容的内阻值为几毫欧，因此U的值一般是mV级，因此通过交流差分放大单元能防止因信号微弱，测量时被噪声淹没的问题；通过低通滤波单元对放大后的信号进行滤波处理，能消除高频分量的干扰，提高测试结果的精确度。
本实施例中，还包括显示模块，显示模块用于显示超级电容的内阻值，通过显示模块能直观的显示检测出的超级电容的内阻值。
选用两种规格的超级电容作为实验被检测样品，使用本实施例中的超级电容内阻检测装置对超级电容的内阻值进行测量，其测量数据的算术平均值和标准差δ(x)为：
式中，n为测量次数，且n＝12。
实验1：检测系统选用Nippon Chemi-Con(英文简写为NCC)超级电容进行检测，该超级电容的生产型号为DDLE2R5LGN701KAA5、额定电压2.5V、容量700F，常温条件下，超级电容额定内阻4mΩ。对此超级电容进行12次检测，重复性测试实验数据如表1所示。
表1 700F超级电容重复性测试数据
根据表1所测的超级电容内阻值和上述算术平均值和标准差δ(x)公式，即可计算出超级电容内阻值的平均值为4.105mΩ，重复性误差为2.6％。
实验2：检测系统选用QINFEN生产的超级电容进行检测，该超级电容的额定电压为2.7V、容量为3000F，常温条件下，该电容额定内阻为0.65mΩ。对此超级电容进行12次检测，重复性测试实验数据如表2所示。
表2 3000F超级电容重复性测试数据
根据表2所测的超级电容内阻值和上述算术平均值和标准差δ(x)公式，即可计算出超级电容内阻平均值为0.626mΩ，重复性误差为3.0％。
基于锁相放大运算的超级电容内阻检测装置，可有效的抑制噪声和干扰，实现了超级电容内阻的检测。实验测试结果表明，本发明的超级电容内阻检测装置能有效地检测超级电容的内阻。该装置内阻检测结果的重复性误差小于3％，达到了超级电容内阻检测的要求
本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质用于存储程序代码，程序代码用于执行前述的任意一种超级电容内阻的测定方法。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种超级电容内阻检测方法，其特征在于，步骤包括：
S1：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U
S2：采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)；
S3：利用锁相放大模块将超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)；
S4：对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理，得到Uo1；
S5：根据公式获得超级电容的内阻值，其中Rs为取样电阻。
2.根据权利要求1所述的超级电容内阻测定方法，其特征在于，步骤S1包括：
S01：向超级电容与取样电阻输入正弦信号U，将正弦信号U进行V/I转换，获得电流信号；
S02：放大电流信号并进行滤波处理，获得恒定电流。
3.根据权利要求1所述的超级电容内阻测定方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤为：对超级电容等效内阻两端的输出电压Us1(t)进行滤波处理并进行A/D转换，得到Uo1。
4.根据权利要求1所述的超级电容内阻测定方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括步骤S001：将超级电容和取样电阻串联。
5.一种超级电容内阻检测装置，其特征在于，包括：
交流电压源模块，用于向超级电容和取样电阻提供正弦信号U；
V-I转换模块，用于将交流电压源模块输入正弦信号U进行V/I转换，获得电流信号；
调理模块，用于放大电流信号和滤波处理，获得恒定电流；
锁相放大模块，用于采集超级电容的输出电压u(t)和取样电阻的输出电压ur(t)进行乘法运算，获得超级电容等效内阻两端的输出电压Uo1；
A/D转换模块，用于将超级电容等效内阻两端的输出电压Uo1进行A/D转换，输出电压信号至处理器；
处理器，用于获取超级电容的内阻值；
所述交流电压源模块与所述V-I转换模块并联，所述调理模块与所述A/D转换模块连接，所述A/D转换模块与所述处理器连接。
6.根据权利要求5所述的超级电容内阻检测装置，其特征在于，所述调理模块包括交流差分放大单元和低通滤波单元，所述交流差分放大单元用于放大电流信号，所述低通滤波单元用于对放大后的电流信号进行滤波处理。
7.根据权利要求5所述的超级电容内阻检测装置，其特征在于，还包括显示模块，所述显示模块用于显示超级电容的内阻值。
8.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于存储程序代码，所述程序代码用于执行权利要求1至4任意一项所述的超级电容内阻的测定方法。
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