CN113406511B - 一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法 - Google Patents

一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法，通过调节自身或目标设备的工作模式，可以控制目标电池产生不同的输出电流，同时通过电压电流测量单元测量目标电池的端电压和输出电流；多次调节工作模式后，得到多组目标电池端电压和输出电流的二元数组；利用线性回归方法建立电池端电压~输出电流的拟合模型，通过电池端电压~输出电流的拟合模型的相关参数计算得到目标电池电动势和内阻的估计值。本发明能够实现快速在线测量，极大地提高了电池电动势和内阻测量的效率。

Description

一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法
技术领域
本发明涉及电池管理领域，具体涉及一种可快速在线测量电池电动势和内阻的装置和方法。
背景技术
随着电池技术的不断进步，使用电池供电的设备日益增多。大到电动汽车，小到智能终端，无不依赖电池提供工作所需的电量。为了实现电池的有效利用，减少不必要的资源浪费和环境污染，需要在运行过程中对电池荷电状态和健康状况做出准确评估。电池电动势和内阻是描述电池荷电状态、评估电池健康状况的两个主要参数，其准确测量对于实现高效的电池管理至关重要。然而，传统的电池电动势和内阻测量装置和方法要么需要建立复杂的电化学电池模型，导致测量方法只能用于特定类型的电池，并且计算复杂度很高；要么需要复杂、昂贵的专业仪器或者需要对目标电池进行长时间静置，不仅干扰目标设备的正常运行，还无法实现实时、快速的在线测量。这些问题严重制约了电池管理技术的有效利用，特别是对低成本、低功耗的嵌入式设备而言。因此，有必要提出一种可用于任何类型电池、能够实现快速在线测量且对目标设备计算能力要求低的低成本测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法，能实现快速在线测量，能提高电池电动势和内阻测量的效率。
本发明所述的一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法，采用的控制电路包括电压电流测量单元、电流调节单元和控制单元；所述电压电流测量单元用于测量目标电池的输出电流值和目标电池的端电压值；所述电流调节单元用于调节工作电流，以实现电池输出电流的改变，该电流调节单元的一端电压电流测量单元电连接；所述控制单元用于控制电流调节单元和电压电流测量单元，以实现电池端电压和输出电流的测量以及工作电流的改变，该控制单元分别与电压电流测量单元和电流调节单元电连接；所述电压电流测量单元与目标电池连接，所述电流调节单元与目标设备的电源端连接；所述控制单元与目标设备建立通信连接；其方法包括以下步骤：
S1：通过控制单元控制电流调节单元改变本控制电路或目标设备的工作状态，以调节目标电池的输出电流；
S2：通过控制单元控制电压电流测量单元测量目标电池的端电压U1和目标电池输出的电流I1；
S3：重复执行n次步骤S1和步骤S2，得到不同工作状态下的端电压和电流的二元数组(Ui，Ii)，i＝1,2,3，……，n，其中，Ui为第i次测得的目标电池的端电压，Ii为第i次测得的目标电池的输出电流；
S4：利用线性回归方法建立电池端电压～输出电流的拟合模型Ui＝a*Ii+b，其中，a和b为模型参数；
S5：使用最小二乘法确定出模型参数a和b；
S6：利用所得模型参数a和b估计目标电池的电动势EMF和内阻r。
可选地，所述步骤S5具体为：
S51：计算残差平方和为：
其中，Q(a,b)为残差平方和，εi为实际值与预测值之间的差；
S52：对模型参数a和b求偏导，并令其等于0，得到：
则有：
S53：由此解得：
其中：
可选地，所述步骤S6具体为：
S61：建立的目标电池端电压与输出电流的线性回归模型为：
其中，U为目标电池端电压，I为目标电池输出电流；
S62：对于目标电池端电压和目标电池输出电流具有如下关系：
U＝EMF-I*r (7)
其中，EMF为目标电池电动势，r为目标电池的内阻；
S63：由上述式(6)、(7)可得到目标电池电动势和目标电池的内阻：
可选地，还包括：
S7.估算目标电池的电池荷电状态SOC，电池荷电状态SOC的计算公式如下：
SOC＝f(EMF) (10)
其中，f(·)为目标电池荷电状态-电动势映射函数。
可选地，所述电流调节单元由n个相并联的电流调节子单元组成。
可选地，每个所述电流调节子单元包括一个MOS管和一个电阻，每个电流调节子单元中的MOS管与电阻串联。
可选地，所述电压电流测量单元包括分流电阻R和模数转换电路，所述分流电阻R的一端分别与目标电池的正极、模数转换电路连接，分流电阻R的另一端分别与目标设备、电流调节单元和模数转换电路连接。
可选地，所述控制单元通过I/O，或I2C、SPI总线与目标设备连接。
本发明具有以下优点：
1)本方法适用于任何类型的电池，不受其电化学成分的限制，亦不需要复杂的电池模型；
2)本方法可在目标设备运行的同时实现在线测量，不干扰目标设备的正常功能；
3)本方法不要求对目标电池进行长时间静置，可实时、快速地实现测量；
4)本方法实现简单，对目标设备计算能力要求低，特别适用于低成本、低功耗的嵌入式设备。
附图说明
图1为本实施例中控制电路为独立模块的原理框图；
图2为本实施例中控制电路为独立模块的电路图；
图3为本实施例中控制电路的部分电路集成于目标设备上的原理框图；
图4为本实施例中控制电路全部集成于目标设备上的原理框图；
图5为本实施例的流程图；
图6为测验碱性电池不同SOC下对应的EMF的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
本实施例中，一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法，采用的控制电路包括电压电流测量单元、电流调节单元和控制单元；所述电压电流测量单元用于测量目标电池的输出电流值和目标电池的端电压值；所述电流调节单元用于调节工作电流，以实现电池输出电流的改变，该电流调节单元的一端电压电流测量单元电连接；所述控制单元用于控制电流调节单元和电压电流测量单元，以实现电池端电压和输出电流的测量以及工作电流的改变，该控制单元分别与电压电流测量单元和电流调节单元电连接。所述电压电流测量单元与目标电池连接，所述电流调节单元与目标设备的电源端连接；所述控制单元与目标设备建立通信连接。
本实施例中，一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法，包括以下步骤：
S1：通过控制单元控制电流调节单元改变本控制电路或目标设备的工作状态，以调节目标电池的输出电流；
S2：通过控制单元控制电压电流测量单元测量目标电池的端电压U1和目标电池输出的电流I1；
S3：重复执行n次步骤S1和步骤S2，得到不同工作状态下的端电压和电流的二元数组(Ui，Ii)，i＝1,2,3，……，n，其中，Ui为第i次测得的目标电池的端电压，Ii为第i次测得的目标电池的输出电流；
S4：利用线性回归方法建立电池端电压～输出电流的拟合模型Ui＝a*Ii+b，其中，a和b为模型参数；
S5：使用最小二乘法确定出模型参数a和b；
S6：利用所得模型参数a和b估计目标电池的电动势EMF和内阻r。
本方法通过改变工作状态并测量电池端电压和输出电流，即可通过简单的线性模型拟合估计电池电动势和内阻，因此具有极低的复杂度和计算开销。此方法适用于任何类型的电池，可在目标设备运行的同时实现快速在线测量，极大地提高了电池电动势和内阻测量的效率。
本实施例中，所述步骤S5具体为：
S51：计算残差平方和为：
其中，Q(a,b)为残差平方和，εi为实际值与预测值之间的差；
S52：对模型参数a和b求偏导，并令其等于0，得到：
则有：
S53：由此解得：
其中：
本实施例中，所述步骤S6具体为：
S61：建立的目标电池端电压与输出电流的线性回归模型为：
其中，U为目标电池端电压，I为目标电池输出电流；
S62：对于目标电池端电压和目标电池输出电流具有如下关系：
U＝EMF-I*r (7)
其中，E为目标电池电动势，r为目标电池的内阻；
S63：由上述式(6)、(7)可得到目标电池电动势和目标电池的内阻：
本实施例中，还包括：
S7.估算目标电池的电池荷电状态SOC，电池荷电状态SOC的计算公式如下：
SOC＝f(EMF) (10)
其中：f(·)为目标电池荷电状态-电动势映射函数。
本实施例中，所述控制单元通过I/O，或I2C、SPI总线与目标设备连接。
本实施例中，控制电路可以是一个独立的模块(如图1和图2所示)，亦可将控制电路的部分电路集成于目标设备上(参见图3)或全部电路集成于目标设备上(参加图4)。
如图1和图2所示，以下以控制电路是一个独立的模块为例进行说明：
所述电压电流测量单元由模数转换器和分流电阻R构成，所述分流电阻R的一端分别与目标电池的正极、模数转换电路连接，分流电阻R的另一端分别与目标设备、电流调节单元和模数转换电路连接。通过对分流电阻R端电压Vin和Vout进行测量，可获得目标电池的端电压和输出电流。
所述电流调节单元由n个相并联的电流调节子单元组成。每个所述电流调节子单元包括一个MOS管和一个电阻，每个电流调节子单元中的MOS管与电阻串联。通过控制MOS管的导通改变电路等效负载电阻，从而达到改变目标电池输出电流的目的。
如图2和图5所示，本实例中的控制部分可由控制单元实现，亦可由目标设备的软件实现，具体包括如下步骤：
S1：通过控制单元控制MOS管1的栅极电压，使MOS管1导通，其余MOS管截止；
S2：通过模数转换电路测量此时的目标电池端电压U1；通过模数转换电路测量分流电阻R端电压，进一步测量出此时的电池输出电流I1；
S3：重复上述步骤S1和步骤S2，令不同的MOS管导通，得到不同工作状态下n组电池端电压和输出电流的二元数组(Ui，Ii)；
S4：利用线性回归方法，建立电池端电压～输出电流的拟合模型Ui＝a*Ii+b；
S5：使用最小二乘法确定线性回归模型中的相关参数；
S6：利用所得模型参数估计目标电池的电动势E和内阻r。
本实施例中，目标电池的种类不限，可以是常用的锂电池、碱性电池、锂亚电池等任何电池。目标设备亦不限，可以是各种电池供电的设备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于：采用的控制电路包括电压电流测量单元、电流调节单元和控制单元；所述电压电流测量单元用于测量目标电池的输出电流值和目标电池的端电压值；所述电流调节单元用于调节工作电流，以实现电池输出电流的改变，该电流调节单元的一端电压电流测量单元电连接；所述控制单元用于控制电流调节单元和电压电流测量单元，以实现电池端电压和输出电流的测量以及工作电流的改变，该控制单元分别与电压电流测量单元和电流调节单元电连接；所述电压电流测量单元与目标电池连接，所述电流调节单元与目标设备的电源端连接；所述控制单元与目标设备建立通信连接；其方法包括以下步骤：
S1：通过控制单元控制电流调节单元改变本控制电路或目标设备的工作状态，以调节目标电池的输出电流；
S2：通过控制单元控制电压电流测量单元测量目标电池的端电压U1和目标电池输出的电流I1；
S3：重复执行n次步骤S1和步骤S2，得到不同工作状态下的端电压和电流的二元数组(Ui，Ii)，i＝1,2,3，……，n，其中，Ui为第i次测得的目标电池的端电压，Ii为第i次测得的目标电池的输出电流；
S4：利用线性回归方法建立电池端电压～输出电流的拟合模型Ui＝a*Ii+b，其中，a和b为模型参数；
S5：使用最小二乘法确定出模型参数a和b；
S6：利用所得模型参数a和b估计目标电池的电动势EMF和内阻r。
2.根据权利要求1所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
S51：计算残差平方和为：
其中，Q(a,b)为残差平方和，εi为实际值与预测值之间的差；
S52：对模型参数a和b求偏导，并令其等于0，得到：
则有：
S53：由此解得：
其中：
3.根据权利要求2所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于，所述步骤S6具体为：
S61：建立的目标电池端电压与输出电流的线性回归模型为：
其中，U为目标电池端电压，I为目标电池输出电流；
S62：对于目标电池端电压和目标电池输出电流具有如下关系：
U＝EMF-I*r (7)
其中，EMF为目标电池电动势，r为目标电池的内阻；
S63：由上述式(6)、(7)可得到目标电池电动势和目标电池的内阻：
4.根据权利要求3所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于，还包括：
S7.估算目标电池的电池荷电状态SOC，电池荷电状态SOC的计算公式如下：
SOC＝f(EMF) (10)
其中，f(·)为目标电池荷电状态-电动势映射函数。
5.根据权利要求1至4任一所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于：所述电流调节单元由n个相并联的电流调节子单元组成。
6.根据权利要求5所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于：每个所述电流调节子单元包括一个MOS管和一个电阻，每个电流调节子单元中的MOS管与电阻串联。
7.根据权利要求1或2或3或4或6所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于：所述电压电流测量单元包括分流电阻R和模数转换电路，所述分流电阻R的一端分别与目标电池的正极、模数转换电路连接，分流电阻R的另一端分别与目标设备、电流调节单元和模数转换电路连接。
8.根据权利要求7所述的快速在线测量电池电动势和内阻的方法，其特征在于：所述控制单元通过I/O，或I2C、SPI总线与目标设备连接。
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