CN110888075A - 一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，所述测量电路包括交流激励电路、交流电压采样电路、主控制电路，所述交流激励电路输入交流激励至电池单体，所述交流电压采样电路用于检测在交流激励作用下的电池单体的交流电压响应信号，所述交流电压采样电路的输出端与主控制电路连接，所述主控制电路根据交流激励电流及采集的交流电压计算出电池单体的电阻数据。本发明可以自动的检测电池箱内的每一个电池单体的内阻数据，为电池管理系统的工作提供数据支持；测量电池单体内阻的电路结构简单可靠，硬件改进较少，方便集成在电池管理系统中或电池箱内，以利于实现在线检测。

Description

一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路及方法
技术领域
本发明涉及电池管理领域，特别涉及一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路。
背景技术
在新能源汽车中，BMS作为一个重要组成部分，主要起到监控动力电池状态参数，并根据整车要求提供充放电管理控制以及电池的维护和对外通讯功能。
目前市场上的BMS主要监控的电池数据有电池箱总电压、总电流、单体电池电压、电池箱温度以及电池箱与汽车的绝缘检测，但是缺乏对单体电池电阻的测量功能。对于动力锂电池的电阻测量，目前主要是人工使用专用的电池电阻测量仪去测量，这种方式无法对汽车中的电池进行测量，必须要进行拆箱，这就导致在测量电池电阻的实际操作中增加了时间与成本，是车企和消费者都不愿看到的，所以对BMS增加电池电阻的自动测量功能显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种动力电池箱内的电池单体内阻的测量电路，用于可以在线测量电池每一个单体的内阻。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，所述测量电路包括交流激励电路、交流电压采样电路、主控制电路，所述交流激励电路输入交流激励至电池单体，所述交流电压采样电路用于检测在交流激励作用下的电池单体的交流电压响应信号，所述交流电压采样电路的输出端与主控制电路连接，所述主控制电路根据交流激励电流及采集的交流电压计算出电池单体的电阻数据。
所述测量电路还包括电池单体选通电路，所述电池单体选通电路用于选通电池单体分别连接交流激励电路的输出端以及交流电压采样电路的输入端，所述主控制电路的输出端与电池单体选通电路连接，用于控制电池单体选通电路选通电池包内其中一个电池单体分别连接交流激励电路以及交流电压采样电路。
所述电池单体选通电路包括输入选通开关和输出选通开关，在每个电池单体的两端分别设置输入选通开关连接交流激励电路，在每个电池单体的两端分别设置输出选通开关连接交流电压采样电路。
每一个输入选通开关、输出选通开关分别通过连接电池单体。
所述交流激励电路包括交流信号发生电路、恒流功率放大电路，所述交流信号发生电路用于产生交流电压信号，其输出端与恒流功率放大电路连接，所述恒流功率放大电路输出端用于输出交流激励电流。
所述交流电压采样电路包括差分信号放大电路、锁相环电路以及滤波电路，所述差分信号放大电路的输入端输入电池的响应交流电压，其输出端连接锁相环电路的输入端，所述锁相环电路的输出端经滤波电路与主控制电路的输入端连接。
所述滤波器包括二阶低通滤波器及电压跟随器，用于滤除高频干扰。
所述测量电路还包括电源电路，所述电源电路与汽车24V电源连接用于将24V电源转换成供电电源为系统供电。
一种电池箱内电池单体内阻的测量方法，包括通过交流激励电路产生交流电流至电池单体的正负极，采集交流激励后的交流电压响应信号；通过采集的交流电压响应信号及输入的交流电流激励信号计算出电池单体的内阻。
在测量时分别将激励信号施加在电池包内的一个电池单体正负极并对应采集该电池单体的交流电压响应信号。
本发明的优点在于：可以自动的检测电池箱内的每一个电池单体的内阻数据，为电池管理系统的工作提供数据支持；测量电池单体内阻的电路结构简单可靠，硬件改进较少，方便集成在电池管理系统中或电池箱内，以利于实现在线检测；检测的内阻更加准确可靠，实现方便、测量简单，功耗较低并且不影响汽车的正常行驶，一方面降低了功耗，另一方面提高了内阻测量的精度。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明交流阻抗发原理图；
图2为本发明锂电池内阻简化模型；
图3为本发明测量电路原理图；
图4为本发明电池单体选通电路原理图；
图5为本发明交流信号发生电路原理图；
图6为本发明功率放大恒流电路原理图；
图7为本发明差分信号放大电路原理图；
图8为本发明参考电压放大原理图；
图9为本发明锁相环电路原理图；
图10为本发明低通滤波电路原理图；
图11为本发明采用单片机来实现主控制电路的原理图；
图12为电源电路原理图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
电池内阻的测量方式主要有开路电压法、直流放电法和交流阻抗法三种：
1、开路电压法是通过测量电池的开路端电压来估计电池内阻的一种内阻测量方法，但由于电池端电压在充放电过程中是变化的，因而不能准确测量内阻
2、直流放电法是在很短时间内用很大的直流电流通过电池，测量电池两端的电压，根据欧姆定律计算出当前电池的内阻，但只能静态测量，对电池有损伤，并且由于极化内阻的存在，只有前期很短的一段时间可用来测量内阻。
3、交流阻抗法是在电池上注入一交流电流(通常为1kHz，100mA),然后检测电池两极上产生的电压响应，利用欧姆定律可以得到电池的内阻值，这种方法不会影响电池的正常充放电，电流激励源比较容易得到，适合在新能源汽车上使用
本发明测量电池电阻采用的是交流阻抗法，其原理如图1所示，给锂电池的正负极通过一个交流激励，则在锂电池的两端会产生一个微弱的交流电压响应，根据欧姆定律，可以求出锂电池内阻R
Figure BDA0002331071220000041
其中Urms和Irms分别为电池两端交流电压、电流的有效值。在线路的连接上采用图中所示的四端子接线方式，用来消除测量线的接触内阻，减少误差。
但是实际上，构成锂电池的化学成分非常复杂，是一个十分复杂的非线性系统，所以建立锂电池的内阻等效模型十分重要。锂电池的内阻等效模型可以简化成图2所示的形式，Rohm表示的是锂电池的欧姆内阻，它是由锂电池内部材料的各部分阻值以及它们之间的接触电阻组成的，Rpol表示电池的极化内阻，极化内阻是由于电池在充放电时由于化学反应产生的内阻之和，Cp表示极化电容，由于极化电容的存在，在交流电源的激励下，锂电池的阻抗是一个与交流频率有关的值，通过图2所示模型，当在交流高频段时，极化电容Cp相当于短路，此时的极化电阻Rpol可以忽略不计，
通常在锂电池的整个生命周期之中，极化内阻保持相对稳定的值，但是伴随着电池的老化，欧姆内阻表现为持续上升，所以欧姆电阻反应了锂电池的健康状态，本发明采用100mA，1kHz的交流电流作为激励源，短路极化内阻，从而仅仅得到欧姆内阻的值。
采用这种交流阻抗测量方法不需要对电池进行充电、放电，从而理论上可以在任何时间对电池电阻进行测量。由于锂电池的内阻都很小，通常在1毫欧的级别，那么由此产生的电压响应级别是一个非常微弱的小信号，常常伴随着难以区分的噪声，需要在电路设计上对干扰和噪声进行抑制，之后才能进行放大，进而送给单片机进行处理。
如图3所示的电路原理图，主要运用了相关检测原理区分有用的小信号和噪声，并实现了对一个电池模组的所有电池进行循环测量。电池内阻测量电路主要包括交流信号发生电路、恒流功率放大电路、差分放大电路、电压采样电路、锁相放大电路、单体电池选通电路以及单片机及其外围电路组成的主控制电路。交流信号发生电路用于产生交流电压信号，其输出端与恒流功率放大电路连接，恒流功率放大电路输出端用于输出交流激励电流，用于将交流电压信号转换成交流电流作为激励送入到电池单体正负极。差分信号放大电路的输入端输入电池的响应交流电压，其输出端连接锁相环电路的输入端，锁相环电路的输出端经滤波电路与主控制电路的输入端连接。滤波器包括二阶低通滤波器及电压跟随器，用于滤除高频干扰。电源电路与汽车24V电源连接用于将24V电源转换成供电电源为系统供电。电源电路包括DCDC、稳压芯片等。
测量电路还包括电池单体选通电路，电池单体选通电路用于选通电池单体分别连接交流激励电路的输出端以及交流电压采样电路的输入端，所述主控制电路的输出端与电池单体选通电路连接，用于控制电池单体选通电路选通电池包内其中一个电池单体分别连接交流激励电路以及交流电压采样电路。电池单体选通电路包括输入选通开关和输出选通开关，在每个电池单体的两端分别设置输入选通开关连接交流激励电路，在每个电池单体的两端分别设置输出选通开关连接交流电压采样电路。每一个输入选通开关、输出选通开关分别通过连接电池单体。
如图4所示为选通电路的结构原理图，用于在汽车电池箱中对每一个电芯实现内阻的检测，图中B1-B10为一个电池模组中的十个电池电芯串联，开关S11、S12…以及开关S21、S22、S23…，由单片机控制的左侧开关选择交流电流的注入通道，右侧的开关选择测量电池的通道。每一个电池单体电阻测量时对应的所需的开关预先标定，单片机在测量电阻时需要控制这些开关即可。例如要测量B1的电池内阻，首先由单片机输出一个关闭开关的信号，使得开关S11、S21、S22同时闭合，此时交流电流仅仅通过电池B1，并由单片机完成对电池B1的内阻测量和记录，以此类推，由单片机控制开关的开通与关断依次完成对整个串联电池组的内阻测量和记录。图3中的电容符号表示的是电解电容，串接电容的目的是隔离电池的直流电压，理论上任何容值的电容都可以起到隔离直流的作用，但是要考虑电容容抗对交流信号的失真影响，理论上容值越大的电容对交流信号的阻抗越小，可是实际中电容大了，会有电感和漏电电阻的存在，反过来影响交流信号的传输。因此，本发明选择电容以频段够用为原则。
当把该电路集成到现有的BMS从控检测电路上时，只需要增加左侧信号注入的线束，而对于右侧的信号检测可以复用BMS从控原本就有的单体电池电压检测线束，只需要在PCB的设计上按照图4所示用大电解电容来隔离直流信号，从而节省了线束设计，降低了内阻测量装置的成本，方便在实现本申请测量电路时减少成本来实现集成在电池箱或BMS中。
在不影响电池充放电的情况下，对动力电池箱中的所有电池进行电阻测量，实现对动力电池内阻的在线监测，从而根据内阻的变化提前预判有问题的电芯。对电芯电阻的测量还可以为电池管理系统(BMS)提供电池电量状态(SOC)和电池健康状态(SOH)估算的重要依据。提升整个电池管理系统的监控可靠性以及对于健康状态的数据提供。本申请的实现可以随时随地在车上由BMS唤醒工作触发单片机组成的主控制电路的工作。进一步为了防止对放电的影响，可以在BMS检测到整车熄火下电时启动内阻测量，也可使按照定时周期性启动进行测量。
各模块的具体实施方式参考以下电路原理图，如图5所示为交流信号发生电路，用到了ICL8038芯片，这是一款性能优良的集成函数发生器，使用双电源供电，用来产生所需要的1kHz交流电压。按照图5的连接方式形成芯片的工作电路，电位器R11一端通过电阻R12连接芯片4号引脚，另一端通过电子R13连接5号引脚，电位器R11用以调节输出波形的占空比；芯片的8号引脚通过电容C14连接电源VDD，电阻电位器R17的一端连接至C14和VDD之间，另一端通过电阻R16接地，R17调节输出频率；电位器R5的一端连接VEE、另一端通过电阻R3接VDD、其调节端连接1号引脚；电位器R6的一端连接VEE、另一端通过R4接VDD、其调节端接12号引脚，R5和R6可以调节输出波形的失真度，合理配置电位器参数，可以输出1kHz，失真度小于0.5％的正弦电压，此信号发生电路输出电阻较高，输出级连接一个跟随器作为缓冲电路，提高性能。
如图6所示为功率放大恒流电路，图5中的交流信号发生电路输出的电压信号通过图6的功率放大恒流电路转化成电流信号，LM1875是一个性能优良的功率集成放大电路，pin1脚作为交流电压的输入，在经过由LM1875构成的闭环控制系统之后，输出端的电压恒等于输入电压，通过定值电阻R26以后转化成恒流电流，通过隔离电容C17注入电池的正极。
交流恒流信号在电池中产生了一个交流电压响应，由于内阻很小，根据欧姆定律产生的交流电压会进一步减小，图7为基于AD620的差分信号放大电路，pin2和pin3分别接被测量电池的两端(通过开关连接电池单体的正负极)，通过电阻R32的取值选择差分信号放大倍数，这里选择放大一百倍，从而输出放大后的交流响应电压信号。
图8为参考电压放大电路，精密电阻R27与被测电池串联，两端的电压通过一个比例放大器进行放大。参考电压放大电路用于提供锁相电路的参考电压的获取，在交流激励生产电路与电池单体选通电路之间串接电阻R27，然后将R27的两端分别通过串接电阻的方式接入运放的同相输入端和反相输入端将R27两端的电压放大后用于锁相电路的参考电压。由于电阻R27串接在交流电压激励信号和选通开关之前，也就是说测量任一一个电池单体的内阻时，该电阻R27均对应该内阻测量的参考电压测试。
图9为以AD630为核心的锁相放大电路，采用2倍闭环增益的调节方式，pin1和pin16相连作为交流电压信号的输入端(连接差分放大电路的输出端)，pin9作为参考电压的输入端，电为器R55分别连接3号引脚和四号引脚，R56两端分别李连杰5号引脚和6号引脚，电位器R55和R56用作电路调零，pin13输出直流信号Output1，在通过图10的低通滤波器，由一个二阶低通滤波器和一个电压跟随器构成，用来滤除高频干扰。用此电压值和各级放大倍数以及激励电流幅值可以计算出电池的内阻大小。
图11单片机外围电路,对芯片的引脚做了功能划分，其中还包括复位电路、晶振电路、写入器接口电路以及必要的滤波电路。图12为电源电路，作用是将汽车中的24V直流电转化成需要的电压，采用LM2940芯片来实现。
本发明的一种电池箱内电池单体内阻的测量电路的测量方法包括，通过交流激励电路产生交流电流至电池单体的正负极，采集交流激励后的交流电压响应信号；通过采集的交流电压响应信号及输入的交流电流激励信号计算出电池单体的内阻。由于电池箱内包括多个电池单体，为了测量每一个电池单体，在测量时分别将激励信号施加在电池包内的一个电池单体正负极并对应采集该电池单体的交流电压响应信号。
本发明的优点包括1、提出了一种在新能源汽车任何时间段内都可以测量单体电池内阻的方法，完善了现有BMS系统的测量检测功能。因为电池内阻能够直接反映电池的健康状态，所以测量内阻的功能可以最有效的预防因电池自身质量引发的行车安全问题。
2、采用交流阻抗法，测量条件简单，易于实现，功耗较低并且不影响汽车的正常行驶，是一种在新能源汽车中切实可行的方法。通过在信号处理电路上的优化设计，一方面降低了功耗，另一方面提高了内阻测量的精度。
3、根据已有的BMS检测电路来设计单体电池循环检测电路，在增加功能的同时尽可能少的增加线束，降低成本。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述测量电路包括交流激励电路、交流电压采样电路、主控制电路，所述交流激励电路输入交流激励至电池单体，所述交流电压采样电路用于检测在交流激励作用下的电池单体的交流电压响应信号，所述交流电压采样电路的输出端与主控制电路连接，所述主控制电路根据交流激励电流及采集的交流电压计算出电池单体的电阻数据。
2.如权利要求1所述的一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述测量电路还包括电池单体选通电路，所述电池单体选通电路用于选通电池单体分别连接交流激励电路的输出端以及交流电压采样电路的输入端，所述主控制电路的输出端与电池单体选通电路连接，用于控制电池单体选通电路选通电池包内其中一个电池单体分别连接交流激励电路以及交流电压采样电路。
3.如权利要求2所述的一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述电池单体选通电路包括输入选通开关和输出选通开关，在每个电池单体的两端分别设置输入选通开关连接交流激励电路，在每个电池单体的两端分别设置输出选通开关连接交流电压采样电路。
4.如权利要求3所述的一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：每一个输入选通开关、输出选通开关分别通过连接电池单体。
5.如权利要求1-4任一所述的一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述交流激励电路包括交流信号发生电路、恒流功率放大电路，所述交流信号发生电路用于产生交流电压信号，其输出端与恒流功率放大电路连接，所述恒流功率放大电路输出端用于输出交流激励电流。
6.如权利要求1-4任一所述的一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述交流电压采样电路包括差分信号放大电路、锁相环电路以及滤波电路，所述差分信号放大电路的输入端输入电池的响应交流电压，其输出端连接锁相环电路的输入端，所述锁相环电路的输出端经滤波电路与主控制电路的输入端连接。
7.如权利要求6所述的一种动力电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述滤波器包括二阶低通滤波器及电压跟随器，用于滤除高频干扰。
8.如权利要求1-7任一所述的一种电池箱内电池单体内阻的测量电路，其特征在于：所述测量电路还包括电源电路，所述电源电路与汽车24V电源连接用于将24V电源转换成供电电源为系统供电。
9.一种电池箱内电池单体内阻的测量方法，其特征在于：
通过交流激励电路产生交流电流至电池单体的正负极，采集交流激励后的交流电压响应信号；通过采集的交流电压响应信号及输入的交流电流激励信号计算出电池单体的内阻。
10.如权利要求9所述的一种电池箱内电池单体内阻的测量方法，其特征在于：在测量时分别将激励信号施加在电池包内的一个电池单体正负极并对应采集该电池单体的交流电压响应信号。
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