CN112461391B - 一种锂电池等温量热仪中多通道热敏电阻迭代式测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池等温量热仪中多通道热敏电阻迭代式测温系统。本发明首先确定最佳测量电流随温度的变化曲线和参考电阻的分段设计。每个通道进行测量时都根据该通道上次的测量温度迭代调整测量电流以及切换参考电阻。恒流源产生的电流流过热敏电阻和参考电阻，采样分别得到热敏电阻和参考电阻上的电压，根据电压比例得到电阻比例，已知参考电阻阻值，从而得到热敏电阻的阻值。由已经确定的温度测量段，单片机选择电阻温度拟合参数，计算得到一路通道的温度。然后，单片机切换测量通道分别进行测量，从而得到待测锂电池表面的温度分布。本发明降低了热敏电阻非线性以及寄生电势的影响，避免了热敏电阻功率过高以及电压超量程的问题。

Description

一种锂电池等温量热仪中多通道热敏电阻迭代式测温系统

技术领域

本发明涉及温度计量测试领域，更具体的涉及一种锂电池等温量热仪中多通道热敏电阻迭代式测温系统。

背景技术

随着锂离子电池的广泛应用和不断发展，如何在确保安全性的同时提高锂电池性能成为研究锂电池的重要方向，锂电池性能及安全问题与其热特性密切相关。锂电池等温量热仪作为一种能够准确测量不同温度下电池热特性参数的仪器，对于锂电池安全性能评估起到关键作用。其主要工作原理为：待测电池被固定在温度恒定的量热腔中。通过温度反馈控制加热片功率，维持电池温度稳定在目标温度(目标温度高于量热腔温度)。仪器实时记录加热片的输出功率，将量热腔热流稳定后的加热片输出功率视为背景功率。背景功率稳定后，通过配套的充放电系统，模拟锂电池在实际使用过程中的不同工况。通过分析此过程中加热片的输出功率变化，以及充放电系统提供的数据，获得不同温度和使用条件下电池吸放热功率、吸放热总量、电池效率、电池容量等参数，为锂离子电池热模型的建立，电池热管理系统的开发提供可靠数据来源。

温度测量系统是锂电池等温量热仪的核心部件。锂电池在充放电过程中的热效应，会导致表面温度不均匀，须通过多个通道的温度传感器全面获得锂电池温度。为了实现等温控制，对温度反馈的实时性与灵敏度提出了较高的要求。热敏电阻具有较大的温度系数和较小的热惯量，可以实现较高灵敏度的动态温度测量，同时，因为热敏电阻自身阻值大，对采用较长引线的影响不敏感，适用于测量体积较大物体的温度。但是热敏电阻具有较强的非线性，对于宽区间的温度测量，需要进一步克服其非线性的影响。根据上述情况，发明一种面向于锂电池等温量热仪的多通道热敏电阻迭代式测温系统，实时改变测量电流，从而降低热敏电阻非线性影响，提高温度测量的灵敏度与准确性，对于提高锂电池等温量热仪的性能至关重要。

发明内容

针对背景技术中提到的锂电池等温量热仪的测温需求，本发明采用基于可调恒流源驱动的多通道热敏电阻测温电路，根据热敏电阻的特性曲线，设计了连续可调电流和分段式标准电阻的结构，从而降低非线性的影响。

一种面向于锂电池等温量热仪的多通道热敏电阻迭代式测温系统，其特征在于，由n个热敏电阻，m个参考电阻，一个可调电压基准，一个恒流源电路，n+m个模拟开关，一个ADC，一个单片机构成。

n个热敏电阻对应n个模拟开关，构成n个并联的测量通道，m个热敏电阻对应m个模拟开关，构成m个并联的调温通道。

所述的ADC分别采样测量通道和调温通道上的电压，将采样值反馈至所述单片机，所述单片机通过可调电压基准控制恒流源电路输出的电流，该电流依次流经串联的测量通道和调温通道；所述的n+m个模拟开关受控于所述单片机。

n个热敏电阻分别紧贴待测锂电池各个表面，测量通道中的每个通道测温时，恒流源产生的电流流过热敏电阻和参考电阻，通过ADC采样分别得到热敏电阻和参考电阻上的电压，根据电压比例得到电阻比例，已知参考电阻阻值，从而得到热敏电阻的阻值，由已经确定的温度测量段，单片机选择对应的电阻温度拟合参数，计算得到一路测量通道的温度。然后，单片机控制模拟开关切换n个测量通道分别进行测量，从而得到待测锂电池表面的温度分布。

所述的恒流源产生的电流能够实时跟随最佳测量电流曲线，具体由以下方式实现：

根据约束条件和热敏电阻特性曲线得到最佳测量电流随温度的变化曲线，同时得到最小电流；m个参考电阻将温度区间分为m段，每个测量通道首次测量时，都采用最小电流进行测量，从而得到该测量通道的初始温度；随后该测量通道测量时，根据初始温度将电流调整为该温度下的最佳测量电流，同时切换至对应温度区间的参考电阻进行测量，得到该测量通道当前测量温度；之后该测量通道的每次测量都根据上次测量得到的温度迭代调整测量恒流源产生的电流以及切换参考电阻，从而保证测量电流实时跟随最佳测量电流曲线。

与现有的热敏电阻测温电路相比，本发明的有益效果是：

1、采用了基于可调恒流源的迭代式温度测量方法，避免了热敏电阻功率过高以及电压超量程的问题，降低了热敏电阻非线性以及寄生电势的影响，使得热敏电阻在保证测量精度不变的前提下适用于更宽的温度测量区间。

2、通过基于高速模拟开关的轮询控制，实现参考电阻区间分段和测量通道的自动切换。相对于通过简单复制单通道以实现多通道模式的方法，可节省n-1个恒流源电路以及n-1个高精度ADC，高精度ADC是整个测量电路中最昂贵的器件之一。

附图说明

图1为面向于锂电池等温量热仪的多通道热敏电阻迭代式测温系统框图；

图2为典型负温度系数热敏电阻阻值和温度系数随温度变化曲线；

图3为根据约束条件得到的恒流源电流的上下限曲线以及最佳电流曲线；

图4为根据约束条件得到的参考电阻的上下限曲线以及三段式的分段设计；

图5系统测量的流程图。

具体实施方式

本发明中的面向于锂电池等温量热仪的多通道热敏电阻迭代式测温系统是由n个热敏电阻，m个参考电阻，一个可调电压基准，一个恒流源电路，n+m个模拟开关，一个ADC，一个单片机构成。通过模拟开关阵列的切换，可实现n个测温通道的选择。

本发明的工作原理是：首先根据约束条件和热敏电阻特性曲线得到最佳测量电流随温度的变化曲线，同时将参考电阻根据温度区间分为m段；每个通道首次测量时，都采用最小电流进行测量，从而得到该通道的初始温度。随后该通道测量时根据初始温度将电流调整为该温度下的最佳测量电流，同时切换对应区间的参考电阻进行测量，得到该通道当前测量温度。之后该通道的每次测量都根据上次测量得到的温度迭代调整测量电流以及切换参考电阻，从而保证测量电流实时跟随最佳测量电流曲线。

其中n个热敏电阻分别紧贴待测电池各个表面，每个通道测温时，恒流源产生的电流流过热敏电阻和参考电阻，通过ADC采样分别得到热敏电阻和参考电阻上的电压，根据电压比例得到电阻比例，已知参考电阻阻值，从而得到热敏电阻的阻值，由已经确定的温度测量段，单片机选择合适的电阻温度拟合参数，计算得到一路通道的温度。然后，单片机控制n路高速模拟开关切换n个测量通道分别进行测量，从而得到待测锂电池表面的温度分布。

进一步说，热敏电阻在一定范围内阻值变化巨大，同时非线性严重，对于传统的电流不变的测量电路，热敏电阻上的电压变化巨大，从低温区到高温区电压可变化1000倍。电压过高则热敏电阻上的发热功率过大，其自发热会导致自身温度升高，同时，有可能超过ADC输入电压的范围；电压过低则导致寄生电势引入较大的测量误差，测量灵敏度较差。根据量热腔中的温度选择合适的电流与参考电阻，可降低热敏电阻非线性以及寄生电势的影响。

本发明通过迭代式测量，可实现测量电流实时跟随最佳电流；通过模拟开关阵列的切换，可实现n个测温通道的选择。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。

如图1所示，本实施例中的可调电压基准由高精度DAC和电压基准构成，单片机可控制DAC输出恒流源所需要的参考电压V_ref，从而可控制恒流源电路输出不同的电流I。同时，可切换相应的参考电阻R_-1，R_-2，…，R_-m，使得ADC得到合适的输入电压。R_s-1，R_s-2，…，R_s-n为n路热敏电阻。当电流I流过模拟开关、热敏电阻和参考电阻时，高精度ADC得到两个通道的电压U₁和U₂分别为：

U₁＝IR_s-n+IR_on+u₁ (1)

U₂＝IR_-m+IR_on+u₂ (2)

其中，R_s-n为某一路热敏电阻阻值，R_on为模拟开关的导通电阻，R_-m为某段温度区间的参考电阻，u₁和u₂为采集回路的寄生电势。实际计算时，认为U₁和U₂的比值就等于R_s-n和R_-m的比，可以得到：

其中，R'_s-n为实际得到的热敏电阻阻值，测量的相对误差err可以表示为：

将(3)式带入(4)式化简可得：

(5)式中，考虑的误差源为模拟开关的导通电阻R_on以及回路的寄生电势u₁和u₂的影响。当温度变化导致热敏电阻阻值剧烈减小时，则(5)式中得到的误差err将剧烈增大。因为热敏电阻阻值一般大于1KΩ，而导通电阻一般小于1Ω，从而由导通电阻R_on引入的测量误差一般小于千分之一。根据实际误差要求有：

恒流源电路输出的电流I可以写为：

其中，K为恒流源电路中的电压比例因子，V_ref为恒流源参考电压，R为电流选择电阻。

当温度变化导致热敏电阻阻值减小时，其温度系数也就是温度变化率也会大幅度降低。根据系统的测温灵敏度ΔT的要求，可得到如下关系：

其中，dR_s-n/dT为热敏电阻的温度变化率；Δu为ADC的分辨率，由ADC的参考电压和位数决定。当热敏电阻的温度变化率降低时，如果电流不变，则由Δu所决定的系统灵敏度就会降低。

同时，高精度ADC两个通道的采集电压U₁和U₂需小于其最大输入电压，忽略(1)式和(2)式中的寄生电势和模拟开关导通电阻产生的电势可得到：

IR_s-n<u_max (10)

IR_-m<u_max (11)

其中，u_max为ADC通道的最大输入电压。由热敏电阻和参考电阻上的功耗的限制，可得到如下约束：

I²R_s-n<P_s-n (12)

I²R_-m<P_-m (13)

其中，P_s-n为热敏电阻上容许的最大功耗；P_-m为参考电阻上容许的最大功耗。

具体参数选取：

图2为典型负温度系数热敏电阻阻值和温度系数随温度变化曲线，温度范围为-50℃～100℃。对于(6)式和(7)，要求引入误差err1和err2小于千分之一，回路的寄生电势u₁和u₂一般小于50μV，则热敏电阻和参考电阻上的电压需要大于50mV。根据图2中热敏电阻的阻值，就可以得到电流I的下限值。

(9)式中，要求系统的测温灵敏度ΔT为0.001℃。本实施例使用的AD7177-2模数转换芯片在采样速率为10sps时，其有效分辨率大于24位，当参考电压为2.5V时，AD7177-2的电压分辨率Δu优于1.49×10^-7V。根据图2中热敏电阻的温度系数，同样可以得到一组电流I的下限值。实际计算发现，由(9)式得到的电流下限值要小于由(6)式得到的电流下限值。

AD7177的通道的最大输入电压为2.5V，将图2中热敏电阻的阻值带入(10)式中可以得到电流I的一组上限值。(12)式和(13)式中，热敏电阻和参考电阻上容许的最大功耗为30μW，将图2中热敏电阻的阻值带入(12)式中同样可以得到电流I的一组上限值。每个温度点下，选取两组上限值中的较小值作为最终电流上限值。

图3为由(6)式、(9)式、(10)式和(12)式得到的电流上下限曲线，上下限曲线中间的部分为容许的电流值。恒定的电流对应图中水平直线，可见，容许的电流区间内，一条水平直线是无法贯穿整个温度区间的。取电流上下限的平均值为最佳电流值，则可以得到最佳电流值随温度变化的曲线，变化范围是2.9μA～126.4μA。(8)式中，本实施例使用的恒流源电路电压比例因子K为0.1，可调电压基准输出范围为0V～5V，电流选择电阻R为2.5KΩ，输出电流I的最大值为200μA，可覆盖最佳电流值的变化范围。每个通道在测温时，根据上次测量得到的温度值，设定电流为图3的中该温度下的最佳电流进行测量。

根据选好的电流值，由(7)式、(11)式和(13)式、可以得到参考电阻的上下限值，如图4所示。图4中的小图为温度区间50℃～100℃内的放大视图。同样，在容许的区间内，恒定的参考电阻值也就是一条水平直线是无法贯穿整个温度区间的。由于参考电阻是无法连续可调的，所以本实施例中将温度区间分为三段，每段选取不同的参考电阻来满足约束条件。-50℃～0℃为第一段，0℃～50℃为第二段，50℃～100℃为第三段。每一段选取最小的上限值作为该段参考电阻的阻值，从而得到三段温度区间内采用的参考电阻值分别为：R_-1＝100KΩ，R_-2＝10KΩ，R_-3＝2KΩ，可实现0.001℃的测量灵敏度要求，测量误差小于千分之一。

系统测量的流程图如图5所示，首先切换至第i个测量通道，也就是第i个热敏电阻。然后判断是否为该通道的首次测量，如果是的话设定测量电流为最小电流值2.9μA，参考电阻切换至100KΩ，测量得到初始温度T_i(1)；如果不是首次测量，则需要根据上次测量的温度值T_i(j-1)，由图3中的最佳电流曲线确定测量电流，同时根据温度区间切换对应的参考电阻，测量得到当前温度T_i(j)。一次测量完成后测量次数j加1，然后重新进行测量通道的选择。通过反复的迭代式的测量，测量电流将始终跟随最佳电流曲线，从而保证满足测量精度和灵敏度要求。

Claims (1)

1.一种锂电池等温量热仪中多通道热敏电阻迭代式测温系统，其特征在于，由n个热敏电阻，m个参考电阻，一个可调电压基准，一个恒流源电路，n+m个模拟开关，一个ADC，一个单片机构成；

n个热敏电阻对应n个模拟开关，构成n个并联的测量通道，m个参考电阻对应m个模拟开关，构成m个并联的调温通道；

所述的ADC分别采样测量通道和调温通道上的电压，将采样值反馈至所述单片机，所述单片机通过可调电压基准控制恒流源电路输出的电流，该电流依次流经串联的测量通道和调温通道；所述的n+m个模拟开关受控于所述单片机；

其特征在于：

n个热敏电阻分别紧贴待测锂电池各个表面，测量通道中的每个通道测温时，恒流源产生的电流流过热敏电阻和参考电阻，通过ADC采样分别得到热敏电阻和参考电阻上的电压，根据电压比例得到电阻比例，已知参考电阻阻值，从而得到热敏电阻的阻值，由已经确定的温度测量段，单片机选择对应的电阻温度拟合参数，计算得到一路测量通道的温度；然后，单片机控制模拟开关切换n个测量通道分别进行测量，从而得到待测锂电池表面的温度分布；

所述的恒流源产生的电流能够实时跟随最佳测量电流曲线，具体由以下方式实现：

根据约束条件和热敏电阻特性曲线得到最佳测量电流随温度的变化曲线，同时得到最小电流；m个参考电阻将温度区间分为m段，每个测量通道首次测量时，都采用最小电流进行测量，从而得到该测量通道的初始温度；随后该测量通道测量时，根据初始温度将电流调整为该温度下的最佳测量电流，同时切换至对应温度区间的参考电阻进行测量，得到该测量通道当前测量温度；之后该测量通道的每次测量都根据上次测量得到的温度迭代调整测量恒流源产生的电流以及切换参考电阻，从而保证测量电流实时跟随最佳测量电流曲线。