CN110501654B - 一种电池内部微短路的检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池内部微短路的检测装置，本发明是在电池的化成充电过程中对电池进行持续的监测，本发明的重点是利用微分电路过滤出快速变化的电压信号。本发明是利用微分电路的特性将电池的直流电压进行隔离，同时将分离出来的微小变化电压信号送到放大器进行放大，降低了对高精度仪表的要求，采用高速AD转换器对放大后的信号进行采集，将捕捉到的电压变化信号通过单片机传输到计算机，最后判断出发生了内部细微短路的产品。而且正向放大或者方向放大都可以，进行二次放大，更加有效的精准的检测电池细微的电压或者电流变化，从而检测出有问题的电池或者随时观察电池状态，预估电池的使用寿命。

Description

一种电池内部微短路的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种电池内部的检测装置及其检测方法。

背景技术

目前，电池在生产过程中有时会存在一些工艺问题，例如，电极箔在切边时会产生毛刺，或者电解液及电解纸含有杂质等；随着电池充电电压升高以及电池内部温度升高，电池内的毛刺或杂质会刺破电解纸发生瞬间放电，同时会产生大量的热能，轻则将电解纸碳化，重则发生电池起火爆炸。发生短路点的位置由于高温会将电解液气化，电解纸干涸而暂时变成绝缘状态，但是会再次被电解液浸渍而发生重复的微短路。电池的容量非常大，细微的毛刺短路对电池电压变化的影响非常小，如果直接监测电池电压需要很高精度的仪表，并且电池会很快恢复到微短路前的电压，这也就需要很高的采集速率才能捕捉到。由于发生过微短路的产品再次出现微短路现象的不确定性，因此，很难检测到电池的微短路现象。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，利用微分电路的特性将电池的直流电压进行隔离，同时将分离出来的微小变化电压信号送到放大器进行放大，降低了对高精度仪表的要求，采用高速AD转换器对放大后的信号进行模数转换，将AD转换结果通过单片机传输到计算机，最后判断出发生了内部细微短路的产品。具体方案如下：

一种电池内部微短路的检测装置，包括

电压检测单元，该检测单元用于检测电池的电压变化值，

数据存储单元，所述数据存储单元与单片机相连，也可以是单片机内部数据存储器。

单片机，所述单片机通过数据传输单元与上位机相连，

所述上位机用于通过数据传输单元发送控制信息给单片机，并通过数据传输单元接收单片机输出的信号；

AD转换单元，所述电压检测单元通过AD转换单元与单片机相连，

所述AD转换单元、单片机、数据存储单元、数据传输单元均与供电模组单元相连，并由所述供电模组单元供电；其特征在于：

所述电压检测单元包括至少一个独立的放大电路：

所述放大电路包括

第一电容器C1，所述第一电容器C1的正极连接到待测电池的正极，所述第一电容器C1的负极连接第一运算放大器反相输入端，

第二电容器C2，所述第二电容器C2正极连接到第一运算放大器的输出端，负极连接到第二运算放大器的正输入，所述第二运算放大器的输出连接有电子开关。

所述电子开关连接AD转换单元，所述电子开关为独立或者单片机内部集成的电子开关，所述AD转换单元为独立的AD转换器或者是单片机内置的AD转换器。

所述放大电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，

所述电阻R1连接第一运算放大器的反相输入和输出两端；

所述电阻R2、电阻R3分别连接第二运算放大器的同相输入端和反相输入端，另一端均接地；

所述电阻R4连接第二运算放大器的反相输入和输出两端；

所述第一运算放大器工作在反向放大，第二运算放大器工作在正向放大，也可同时工作于正向或反向放大状态。

所述供电模组单元包括无线供电单元以及无线受电单元，所述无线供电单元用于发射电磁辐射能量，所述无线受电单元用于接收无线供电单元发射的电磁辐射能量，并将电磁辐射能量转化为供AD转换单元、单片机、数据存储单元以及数据传输单元工作的电能。

所述数据传输单元为RS232接口通讯单元，也可以是无线数据传输单元，数据传输单元与上位机进行通讯，并直接与单片机相连。

一种电池内部微短路的检测方法，包括：

步骤A将电池检测单元连接电池，即：将第一电容器的正极连接到待测电池的正极，第一电容器在这里的目的是将电池的直流电压进行隔离，并将微弱的变化信号送入到第一运算放大器的负输入进行放大处理；

步骤B，将第二电容器正极连接到第一运算放大器的输出端，负极联接到第二运算放大器的正输入，这里第二电容器的作用是对第一运算放大器输出的直流电压进行隔离，将第一运算放大器放大后的电压变化信号送到第二运算放大器进行第二次放大；

步骤C，将第二运算放大器进行第二次放大后输出的电压变化信号送入到电子开关进行切换后送到AD转换器进行数据采集；

步骤D，AD转换器对第二运算放大器放大后输出的电压值进行数模转换后，单片机对数模转换结果进行处理，并将处理后的数据传递给数据存储单元进行存储；

步骤E，将经单片机处理后的数据通过数据传输单元送到上位机进行判断，根据判定结果将有隐患的电池筛选出来。

所述步骤A和步骤B并联一个以上的电池，并同时连接一个以上的电子开关；

所述步骤A和步骤B中，所述的第一运算放大器和第二运算放大器，选择正向放大，或反向放大。

本发明是在电池的化成充电过程中对电池进行持续的监测，电池充电时的电压特性是电压慢慢变化，因此本发明的重点是利用微分电路过滤出快速变化的电压信号。本发明是利用微分电路的特性将电池的直流电压进行隔离，同时将分离出来的微小变化电压信号送到放大器进行放大，降低了对高精度仪表的要求，采用高速AD转换器对放大后的信号进行采集，将捕捉到的电压变化信号通过单片机传输到计算机，最后判断出发生了内部细微短路的产品。而且正向放大或者方向放大都可以，进行二次放大，更加有效的精准的检测电池细微的电压或者电流变化，从而检测出有问题的电池或者随时观察电池状态，预估电池的使用寿命。

本发明是前所未有的能真正解决目前电池生产过程中瑕疵品而引发的内部细微短路的检测装置，防止因电池瑕疵流入到市场而发生更严重的事故，对终端用户使用电池提供了安全的保障，特别是动力电池的安全性可得到进一步的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，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，附图中：

图1是本发明的检测电路图；

图2是本发明的检测方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种实施例。应明白，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。

电池在化成过程中电池内部温度升高，压力会随温升而增加，毛刺或杂质会因压力刺穿电解纸，引发瞬间短路或爆炸。由于电池的容量非常大，在出现内部毛刺或杂质引起的微短路时会将微短路点瞬间烧化，电池两端的电压也会出现微弱的变化，然后又会迅速的回升到出现微短路之前的电压，因此采集这些电压变化需要很快的速度，然而电池本身会输出直流电，要放大这些微弱的电压变化信号需要对电池本身的直流电压进行隔离，所以我们提出一种方案：

参照图1，一种电池内部闪火的检测装置，包括电压检测单元，该检测单元用于检测电池的电压变化值，本实施例中为图1中的电压检测单元包括多个电路单元1，数据存储单元在图中未画出，所述数据存储单元设置在单片机U4中，所述单片机U4通过数据传输单元与上位机相连，本实施例中上位机即计算机。

本实施例以一个检测电路单元1为例进行说明：电路单元1将检测电池的电压放大后通过电子开关U2连接AD转换单元U3传输给单片机U4，经单片机U4处理后送到PC进行判断；这样计算机通过数据传输单元发送控制信息给单片机，并通过数据传输单元接收单片机输出的信号；将有隐患的电池筛选出来，防止流入到市场。有效解决电池内部短路的产品流入到终端市场应用时出现起火爆炸等危险。

以上所述电压检测单元中的电路单元1、所述AD转换单元U3、单片机U4、数据存储单元、数据传输单元均与供电模组单元相连，并由所述供电模组单元供电。

所述电压检测单元包括至少一个独立的电路单元，见图1可以包含N个电路单元，此处的电路单元即放大电路：所述放大电路包括第一电容器C1，所述第一电容器C1的正极连接到待测电池的正极，所述第一电容器C1的负极连接第一运算放大器U1A反向输入端，如图1中所述放大电路还包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，所述电阻R1连接第一运算放大器U1A的反向输入和输出两端；所述电阻R2、电阻R3分别连接第二运算放大器U1B的同相输入端和反相输入端，另一端均接地；所述电阻R4连接第二运算放大器U1B的输入和输出两端；所述第一运算放大器U1A为反向放大，所述第二运算放大器U1B为正向放大。

第二电容器C2，所述第二电容器C2正极连接到第一运算放大器U1A的输出端，负极连接到第二运算放大器U1B的正输入，所述第二运算放大器U1B的输出端连接有电子开关U2。

所述电子开关U2为独立或者单片机内部集成的电子开关，所述AD转换单元为独立的AD转换器或者是单片机U4内置的AD转换器。

所述供电模组单元可以采用有线连接，同时也可以采用无线供电单元以及无线受电单元，所述无线供电单元用于发射电磁辐射能量，所述无线受电单元用于接收无线供电单元发射的电磁辐射能量，并将电磁辐射能量转化为供AD转换单元、单片机、数据存储单元以及数据传输单元工作的电能。

所述数据传输单元可以采用有线数据传输，也可以为无线数据传输单元；当采用无线数据传输单元时，采用红外通讯模组与上位机进行通讯，并直接与单片机相连。

如上图1所述，本发明可以同时监测多个电池，每一个电池监测都有独立的放大电路，如图1中给出的可以是并列的N个单元，N为大于等于1的整数。

上述电子开关U2连接AD转换器U3，所述电子开关U2为独立或者单片机内部集成的电子开关，本实施例中采用电子开关型号为4052，也可以是其他型号的电子开关，或者是单片机内部集成的电子开关。

所述AD转换器U3为独立单元的或者是单片机内置的AD转换器。本实施例中采用ADS8320型号的AD转换器，AD转换器电连接到MCU单片机，该实施例中的单片机型号为ATMEGA8A，也可以是其他任意单片机。将AD转换结果读取后通过RS232接口传输到计算机，并由计算机判断是否发生内部短路。

如图2，一种电池内部微短路的检测方法，包括：

步骤A将电池检测单元连接电池，即：将第一电容器C1的正极连接到待测电池的正极，第一电容器C1在这里的目的是将电池的直流电压进行隔离，并将微弱的变化信号送入到第一运算放大器U1A的负输入进行放大处理；

步骤B，将第二电容器C2正极连接到第一运算放大器U1A的输出端，负极联接到第二运算放大器U1B的正输入，这里第二电容器C2的作用是对第一运算放大器U1A输出的直流电压进行隔离，将第一运算放大器U1A放大后的电压变化信号送到第二运算放大器U1B进行第二次放大；

步骤C，将第二运算放大器U1B进行第二次放大后输出的电压变化信号送入到电子开关进行切换后送到AD转换器进行数据采集；

步骤D，AD转换器对第二运算放大器放大后输出的电压值进行数模转换后，单片机对电容器两端的电压值进行处理，并将处理后的信号传递给数据存储单元进行存储；

步骤E，将经单片机处理后的数据通过数据传输单元送到上位机进行判断，根据判定结果将有隐患的电池筛选出来。

所述步骤A和步骤B并联一个以上的电池，并同时连接一个以上的电子开关。

所述步骤A和步骤B中，所述的第一运算放大器U1A为反向放大，第二运算放大器U1B为正向放大。

本发明将电池内部微短路时电压微弱变化放大后送到模数转换进行采集，经单片机处理后送到PC进行判断，将有隐患的电池筛选出来，防止流入到市场。有效解决电池内部短路品流入到终端市场应用时出现起火爆炸等危险。

为了验证本发明的效果，发明人通过实验得出如下数据：

假如电池为2000mA/H,假设微短路所造成的电量损失为0.0033库仑，电路中第一级放大为1000倍，第二级放大为1000倍，本电路能捕捉到约0.8V的峰值变化。

本电路仿真中用3600F电容替代2000mA/H的锂电池，用一个将电量放完的1000uF电容通过开关瞬间并接到3600F的电容上，由此模拟电池微短路时的电量瞬间损耗，电容1000uF充电到3.3V需要0.0033库仑的电量，因此本电路模拟出电池在发生微短路时瞬间损失0.0033库仑时捕捉到的电压变化波形。利用高速AD可采集到变化量，最终将采集数据发送到计算机进行判断。

相比电池而言，在发生内部微短路时能量损失所占容量的比例很小，然而发生过微短路的电池存在起火与爆炸的隐患，本电路通过隔离电池自身的直流电，将电池微弱的电压变化送到2级1000倍左右的放大后进行采集，可有效捕捉到内部微短路现象。

改变放大倍数可改变检测灵敏度，这是可以根据具体产品需求而定的这个仿真实验只是说明了能检测到电池微短路。

仿真电路中参数可侦测到1nV～5uV的电压变化范围，也可根据实际需求改变放大倍数达到更大范围的侦测值。

以上无线通讯，除RS232无线通讯外，还可以采用蓝牙通讯；RS232无线模块的通信是半双工的，既无线模块发射数据时模块不能接收数据，接收数据时模块不能发射数据。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种电池内部微短路的检测装置，其特征在于：包括

电压检测单元，该检测单元用于检测电池的电压变化值，

数据存储单元，所述数据存储单元与单片机相连，

单片机，所述单片机通过数据传输单元与上位机相连，

所述上位机用于通过数据传输单元发送控制信息给单片机，并通过数据传输单元接收单片机输出的信号；

AD转换单元，所述电压检测单元通过AD转换单元与单片机相连，

所述AD转换单元、单片机、数据存储单元、数据传输单元均与供电模组单元相连，并由所述供电模组单元供电；

所述电压检测单元包括至少一个独立的放大电路：

所述放大电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，第一电容器，第二电容器，

所述电阻R1连接第一运算放大器的反向输入和输出两端；

所述电阻R2、电阻R3分别连接第二运算放大器的同相输入端和反相输入端，另一端均接地；

所述电阻R4连接第二运算放大器的反向输入和输出两端；

所述第一运算放大器为反向放大，第二运算放大器为正向放大；

所述第一电容器的正极连接到待测电池的正极，所述第一电容器的负极连接第一运算放大器反相输入端，

所述第二电容器正极连接到第一运算放大器的输出端，负极连接到第二运算放大器的正输入，所述第二运算放大器的输出连接有电子开关。

2.根据权利要求1所述的一种电池内部微短路的检测装置，其特征在于，所述电子开关连接AD转换单元，所述电子开关为独立或者单片机内部集成的电子开关，所述AD转换单元为独立的AD转换器或者是单片机内置的AD转换器。

3.根据权利要求2所述的一种电池内部微短路的检测装置，所述供电模组单元包括无线供电单元以及无线受电单元，所述无线供电单元用于发射电磁辐射能量，所述无线受电单元用于接收无线供电单元发射的电磁辐射能量，并将电磁辐射能量转化为供AD转换单元、单片机、数据存储单元以及数据传输单元工作的电能。

4.根据权利要求3所述的一种电池内部微短路的检测装置，其特征在于，所述数据传输单元为无线数据传输单元，该无线数据传输单元采用RS232接口与上位机进行通讯，并直接与单片机相连。

5.根据权利要求1至4任一所述的电池内部微短路的检测装置的检测方法，其特征是：

步骤A，将电池检测单元连接电池，即：将第一电容器的正极连接到待测电池的正极，电阻R1连接第一运算放大器的反向输入和输出两端，第一运算放大器的正输入接地，第一电容器在这里的目的是将电池的直流电压进行隔离，并将微弱的变化信号送入到第一运算放大器的负输入进行放大处理；

步骤B，将第二电容器正极连接到第一运算放大器的输出端，负极连接到第二运算放大器的正输入，电阻R2、电阻R3分别连接第二运算放大器的同相输入端和反相输入端，另一端均接地，电阻R4连接第二运算放大器的反向输入和输出两端，这里第二电容器的作用是对第一运算放大器输出的直流电压进行隔离，将第一运算放大器放大后的电压变化信号送到第二运算放大器进行第二次放大；

步骤C，将第二运算放大器进行第二次放大后输出的电压变化信号送入到电子开关进行切换后送到AD转换器进行数据采集；

步骤D，AD转换器对第二运算放大器输出端的电压值进行数模转换后，单片机对AD转换结果进行处理，并将处理后的信号传递给数据存储单元进行存储；

步骤E，将经单片机处理后的数据通过数据传输单元送到上位机进行判断，根据判定结果将有隐患的电池筛选出来。

6.根据权利要求5所述的电池内部微短路的检测装置的检测方法，其特征是：所述步骤A和步骤B并联一个以上的电池，并同时连接一个以上的电子开关。

7.根据权利要求6所述的电池内部微短路的检测装置的检测方法，其特征是：所述步骤A和步骤B中，所述的第一运算放大器为反向放大，第二运算放大器正向放大。

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