CN202614914U - 一种蓄电池参数监测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种蓄电池参数监测仪，所述监测仪包括反馈电压测量模块和计算模块，所述反馈电压测量模块包括控制器、第一隔直电容、第二隔直电容和锁相放大器，其中：控制器、第一隔直电容及蓄电池构成注入电流回路，所述注入电流回路对蓄电池注入交流低频小电流信号；锁相放大器、第二隔直电容及蓄电池构成信号检测回路，所述信号检测回路通过锁相放大技术对响应电压信号进行处理，获取所述响应电压信号对应的反馈电压值，进而计算模块可根据反馈电压值计算蓄电池的内阻。可见，本实用新型的蓄电池参数监测仪在对蓄电池内阻进行监测时电流通过小电流注入的方式实现，无需对蓄电池进行脱机放电，从而可以实现对蓄电池内阻的在线监测。

Description

一种蓄电池参数监测仪

技术领域

本实用新型属于电池检测与监控技术领域，尤其涉及一种蓄电池参数监测仪。

背景技术

蓄电池是目前备用电源系统中广泛使用的后备电源，由于其性能关系到计算机系统、电信系统等多种关键系统的安全与稳定，对其性能的检测与监控成为当前国内外的研究热点。而国内外的科研人员通过大量的实验发现，蓄电池参数中的内阻参数与容量有着密切的关系，根据蓄电池内阻的大小可以判断蓄电池的性能，因此蓄电池内阻成为衡量蓄电池性能的一项重要指标，相应地，对蓄电池内阻测量的研究也成为本领域的重要课题。

目前，对蓄电池内阻的检测多采用GBT 19638.2-2005放电法，由于蓄电池的内阻较小，一般为μΩ～mΩ级，则需要采用不小于0.3C的电流对蓄电池进行深度放电，其中，C表示蓄电池的容量。利用上述放电法对蓄电池内阻进行监测的具体原理如下：将蓄电池处于脱机状态，通过外部负载对其进行大电流放电，同时测量蓄电池的电压，进而可通过测量出的蓄电池的电压与放电电流的比值，得出蓄电池的内阻。

可见，利用上述方法对蓄电池的内阻进行检测时，需对蓄电池进行深度放电，放电电流较大，会影响蓄电池上的设备，对蓄电池的损害较大，故只能在脱机状态下测量，无法实现对蓄电池内阻的在线监测。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种一种蓄电池参数监测仪，以解决上述问题，实现对蓄电池内阻的在线测量。

为此，本实用新型采用的技术方案如下：

一种蓄电池参数监测仪，包括反馈电压测量模块和根据所述反馈电压测量模块的测量结果计算蓄电池内阻的计算模块，其中：

所述反馈电压测量模块包括：

用于发出交流低频小电流信号和参考信号的控制器；

用于对所述交流低频小电流信号进行隔直，并将隔直后的交流低频小电流信号注入所述蓄电池的第一隔直电容；

其中，所述控制器的第一端通过第一隔直电容与所述蓄电池的正极相连，第二端与所述蓄电池的负极相连；

用于对所述交流低频小电流信号在所述蓄电池两端产生的响应电压信号进行隔直放大的第二隔直电容；

用于接收所述参考信号以及经过所述第二隔直电容隔直放大后的响应电压信号，并依据所述参考信号，对经过所述隔直放大后的响应电压信号进行锁相放大处理，以获取所述响应电压信号对应的反馈电压值的锁相放大器；

其中，所述锁相放大器的第一端通过所述第二隔直电容与所述蓄电池的负极相连，第二端与所述蓄电池的正极相连，第三端与所述控制器的第三端相连。

优选的，所述蓄电池参数监测仪还包括用于测量所述蓄电池两端电势差的蓄电池电压测量模块。

优选的，所述蓄电池包括多个单体蓄电池。

优选的，所述反馈电压测量模块还包括用于对所述多个单体蓄电池进行分时切换的固态继电器。

优选的，所述蓄电池参数监测仪还包括用于测量所述蓄电池的温度的温度测量模块，其中：

所述温度测量模块包括数字温度传感器。

优选的，所述锁相放大器包括：

用于对经过所述隔直放大后的响应电压信号进行前置放大处理的前置放大器；

用于对经过所述前置放大器处理后的响应电压信号进行带通滤波处理的带通滤波器；

用于接收所述参考信号，并依据所述参考信号对经过所述带通滤波器处理后的响应电压信号进行相敏检波处理的相敏检波器；

用于对经过所述相敏检波器处理后的响应电压信号进行低通滤波处理的低通滤波器；

用于对经过所述低通滤波器处理后的响应电压信号进行直流放大处理的直流放大器。

优选的，所述计算模块具体为通过最小二乘法拟合所述反馈电压值与所述蓄电池内阻的线性关系，计算蓄电池内阻的计算模块。

优选的，所述控制器为单片机。

优选的，所述蓄电池参数监测仪，还包括用于对计算模块的计算结果进行显示的显示模块。

由于本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪包括反馈电压测量模块和计算模块，所述反馈电压测量模块包括控制器、第一隔直电容、第二隔直电容和锁相放大器，其中：所述控制器、所述第一隔直电容及所述蓄电池构成了注入电流回路，所述注入电流回路可实现对所述蓄电池注入交流低频小电流信号的功能；所述锁相放大器、所述第二隔直电容及所述蓄电池构成了信号检测回路，所述信号检测回路可通过锁相放大技术对所述响应电压信号进行处理，获取所述响应电压信号对应的反馈电压值，进而所述计算模块可根据所述反馈电压值计算所述蓄电池的内阻。

可见，本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪在对蓄电池内阻进行监测时电流通过小电流注入的方式实现，因此无需对蓄电池进行脱机放电，从而可以实现对蓄电池内阻的在线监测。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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。

图1是本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪的一种结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的反馈电压测量模块的一种工装结构图；

图3是本实用新型实施例提供的信号调理电路图；

图4是本实用新型实施例提供的相敏检波、低通滤波和直流放大电路图；

图5是本实用新型实施例提供的锁相放大器和单片机之间的数据交互过程示意图；

图6是本实用新型实施例提供的对蓄电池组进行多路测量的切换示意图；

图7是本实用新型实施例提供的蓄电池电压测量电路图；

图8是本实用新型实施例提供的蓄电池组温度测量电路图；

图9是本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪工作时的逻辑结构图。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，下文中使用的技术名词、简写或缩写总结解释如下：

蓄电池的内阻：指蓄电池在工作时，电流流过蓄电池内部所受的阻力，蓄电池内阻很小一般为μΩ～mΩ级；

蓄电池的电压：蓄电池输出两端的电势差，是电池的一项重要指标；

蓄电池组的温度：蓄电池组工作所处的环境温度，温度值影响蓄电池的寿命和放电率。

CANopen：是一种架构在CAN（Control Area Network,控制局域网路）上的高层通讯协定，包括通讯子协定及设备子协定常在嵌入式系统中使用，也是工业控制常用到的一种现场总线。

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种蓄电池参数监测仪，请参见图1，其示出了上述蓄电池参数监测仪的一种结构，其包括反馈电压测量模块100和计算模块200，其中：

反馈电压测量模块100包括控制器110、第一隔直电容120、第二隔直电容130和锁相放大器140，其中：

控制器110的第一端通过第一隔直电容120与上述蓄电池的正极相连，第二端与上述蓄电池的负极相连，控制器110用于发出交流低频小电流信号和参考信号；具体地，本实施例中，控制器110为单片机。

第一隔直电容120用于对上述交流低频小电流信号进行隔直，并将隔直后的交流低频小电流信号注入上述蓄电池。

第二隔直电容130，用于对交流低频小电流信号在蓄电池两端产生的响应电压信号进行隔直放大。

锁相放大器140的第一端通过第二隔直电容130与上述蓄电池的负极相连，第二端与上述蓄电池的正极相连，第三端与控制器110的第三端相连，用于接收上述参考信号以及经过第二隔直电容130隔直放大后的响应电压信号，并依据上述参考信号，对经过上述隔直放大后的响应电压信号进行锁相放大处理，以获取上述响应电压信号对应的反馈电压值。

具体地，控制器110、第一隔直电容120及上述蓄电池构成注入电流回路；锁相放大器140、第二隔直电容130及上述蓄电池构成信号检测回路。

请参见图2，其示出了本实用新型实施例提供的反馈电压测量模块100的一种工装结构图，其中C_注表示上述注入电流回路，C_测表示上述信号检测回路，C1表示第一隔直电容，C2表示第二隔直电容。其中，控制器发出的信号分为两路：其发出的交流低频小电流信号，在注入电流回路C_注上，通过第一隔直电容C1被注入到到蓄电池；控制器发出的另一种信号，被输出至锁相放大器，为上述锁相放大器的后续处理过程提供参考信号。当蓄电池被注入交流低频小电流信号后，蓄电池两端即会产生上述交流低频小电流信号的响应电压信号，该响应电压信号被上述信号检测回路C_测取出，在上述信号检测回路C_测中经由第二隔直电容C2隔直、放大后，被输出至锁相放大器。上述过程将注入电流回路和信号检测回路分开，实现了四线法测量，从而降低了导线阻抗对蓄电池内阻测量的影响。

本实施例中，交流低频小电流信号和参考信号均由单片机产生，产生的交流低频小电流信号具体为正弦电流信号，参考信号具体为1kHz的方波信号。单片机产生两种信号的过程如下：单片机首先产生PWM（Pulse WidthModulation，脉冲宽度调制）方波信号，之后在其内将上述PWM方波信号经过积分运算电路的积分处理后得到三角波，再将上述三角波进行滤波放大处理后得到正弦电压信号，最后将上述正弦电压信号通过V/I变化即可得正弦电流信号；参考信号则是由单片机预先产生并存储的。

具体地，本实施例中，锁相放大器140包括前置放大器、带通滤波器、相敏检波器、低通滤波器和直流放大器，其中：

前置放大器，用于对经过上述隔直放大后的响应电压信号进行前置放大处理。

带通滤波器，用于对经过上述前置放大器处理后的响应电压信号进行带通滤波处理。

相敏检波器，用于接收上述参考信号，并结合上述参考信号对经过上述带通滤波器处理后的响应电压信号进行相敏检波处理。

低通滤波器，用于对经过上述相敏检波器处理后的响应电压信号进行低通滤波处理。

直流放大器，用于对经过上述低通滤波器处理后的响应电压信号进行直流放大处理。

在研究中发现，采用锁相放大技术可以有效的抑制干扰和噪声，使得内阻的测量变得非常精确，其具体以相关检测技术为基础，利用参考信号频率和输入的有用信号频率相关，而与噪声不相关，从而从噪声中提取有用信号。

由于蓄电池内阻很小一般为μΩ～mΩ级，蓄电池内阻产生的交流低频小电流信号的响应电压信号也非常微弱，一般为μV～mV级，而噪声和干扰却很强，所以应对上述微弱的响应电压信号进行放大和滤波处理，以滤除通带以外的噪声和干扰，则内阻测量时将上述微弱的响应电压信号从蓄电池两端取出后，须进行隔直、放大，本实用新型实施例提供的第二隔直电容130即可实现此功能，继而将通过第二隔直电容处理后的响应电压信号通过上述前置放大器对其进行前置放大处理、通过上述带通滤波器对其进行带通滤波处理。

请参见图3所示的电路图，该电路图中的电路包括相连的前置放大器301和带通滤波器302，上述电路亦可称为信号调理电路，本实施例具体通过上述电路对经过隔直后的响应电压信号，进行相敏检波及低通滤波处理前的信号调理处理，即前置放大和带通滤波处理，处理后的信号由图中的SIN引线输出。

请参见图4所示的电路图，该电路图中的电路通过引线SIN与图3中所示电路相连，其包括依次相连的相敏检波器401、低通滤波器402和直流放大器403。

经过上述信号调理电路调理后响应电压信号由SIN引线接入相敏检波器中的处理芯片U11，即具体通过图4中的引脚1和引脚16接入，图4中FB为单片机产生的参考信号，其经由引脚10接入处理芯片U11，根据相关原理运算，当被测信号与参考信号在同频同相时可获得最大的增益，本实施例具体通过确定参考信号产生的起始位置，使参考信号与经过调理后响应电压信号同频同相，继而处理芯片U11对响应电压信号和参考信号进行乘法运算，从而得到响应电压信号和参考信号的和频信号与差频信号；之后将上述和频信号与差频信号经由其引脚12、引脚13及引脚14输出至由图4中U14B构成的低通滤波器402，低通滤波器402将接收到的和频信号滤除掉，这时的等效噪声带宽很窄，极强地抑制了输入噪声，则经过相敏检波器401和低通滤波器402后，响应电压信号由交流信号转变为直流信号；接下来经过低通滤波处理后的直流信号由U14B的引脚7输出至由U14A构成的直流放大器403，在直流放大器403内，上述直流信号被放大两倍，即得用于计算蓄电池内阻的反馈电压值，该反馈电压值最后通过U14A的INAD引脚被输出至单片机的AD（Analog/Digital，模/数）引脚。

计算模块200，用于根据上述反馈电压值计算上述蓄电池的内阻。

本实施例中，计算模块200具体用于通过最小二乘法拟合上述反馈电压值与上述蓄电池的内阻的线性关系，计算蓄电池的内阻。

其具体通过测量一系列内阻值来拟合进入单片机的反馈电压值与蓄电池内阻的线性关系，本实施例中，实用新型人通过拟合，得出其线性关系具体如下：

R=-8.2032964650+3.665602340E-02*U，（1）

其中，R表示蓄电池的内阻，U表示进入单片机的反馈电压值，该反馈电压值可以通过单片机的AD口测量得出。通过上述公式（1）即可计算得出蓄电池的内阻。

具体地，上述拟合和计算过程可在上述单片机内实现，即锁相放大器将所测得的反馈电压值传输至单片机，进而单片机对接收到的反馈电压值进行模数转换，之后通过上述拟合和计算过程得出蓄电池的内阻。请参见图5，其示出了锁相放大器和单片机之间的数据交互过程。

本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪包括反馈电压测量模块和计算模块，上述反馈电压测量模块包括控制器、第一隔直电容、第二隔直电容和锁相放大器，其中：上述控制器、上述第一隔直电容及上述蓄电池构成了注入电流回路，上述注入电流回路可实现对上述蓄电池注入交流低频小电流信号的功能；上述锁相放大器、上述第二隔直电容及上述蓄电池构成了信号检测回路，上述信号检测回路可通过锁相放大技术对上述响应电压信号进行处理，获取上述响应电压信号对应的反馈电压值，进而上述计算模块可根据上述反馈电压值计算上述蓄电池的内阻。

可见，本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪在对蓄电池内阻进行监测时电流通过小电流注入的方式实现，因此无需对蓄电池进行脱机放电，从而可以实现对蓄电池内阻的在线监测。

在本实用新型其他实施例中，上述蓄电池参数监测仪还可包括显示模块，上述显示模块用于对计算模块200的计算结果进行显示。

具体地，显示模块可为电脑、PC（personal computer，个人计算机）等，如单片机中计算得出的蓄电池的内阻值可通过相关通讯被传输至电脑进行显示。

本实施例中，上述相关通讯具体采用标准的CANopen协议，以方便用户直接组网和安装。

具体地，蓄电池可包括多个单体蓄电池，上述多个单体蓄电池构成蓄电池组。

在本实用新型其他实施例中，针对上述蓄电池组，反馈电压测量模块还可包括固态继电器，其用于在内阻测量过程中对上述蓄电池组中的单体蓄电池进行分时切换，以实现对蓄电池组的多路测量，即对蓄电池组中的多个单体蓄电池进行分时在线监测。

本实施例中，以8路蓄电池组为例，请参见图6，其为利用固态继电器对蓄电池组进行多路测量的示意图。其中，IBAT+和IBAT-分别表示注入电流回路中交流低频小电流信号的正注入端和负注入端，即电流注入去线端和电流注入回线端；RBAT+和RBAT-分别表示信号检测回路中，交流低频小电流信号的相应电压信号的正端和负端，即内阻测量去线端和内阻测量回线端。BAT1-、BAT2-…BAT8-和BAT1+、BAT2+…BAT8+分别表示8路蓄电池组中每一路单体蓄电池的正、负接线端子。在测量过程中，具体可通过固态继电器中上述IBAT+和IBAT-、RBAT+和RBAT-四个端子的同时切换实现对8路蓄电池的分时监测。例如，若当前需对第二路单体蓄电池进行监测，则只需将IBAT+端子切换至BAT2-端子、IBAT-端子切换至BAT2+端子、RBAT+端子切换至BAT2-端子、RBAT-端子切换至BAT2+端子即可，继而通过后续测量和计算则可得出所测蓄电池的内阻。

在此，需要指出的是：由于蓄电池两端存在一定的电势差，会影响整个蓄电池参数监测仪的共地问题，故在对蓄电池内阻进行测量时，需将连接在蓄电池两端的四个接线端，即IBAT+端子、IBAT-端子、RBAT+端子和RBAT-端子同时切换。

本实用新型实施例采用四线法测量内阻与固态继电器切换相结合的方式来消除固态继电器导通电阻对测量的影响，从而测量蓄电池的内阻时，在保证了内阻测量精度的前提下，大大降低了测量成本。

在本实用新型其他实施例中，上述蓄电池参数监测仪还可包括蓄电池电压测量模块，上述蓄电池电压测量模块用于测量蓄电池两端的电势差。

请参见图7，其为本实用新型实施例提供的蓄电池电压测量电路，由于利用蓄电池供电的应用系统中整个系统的最低电势都是加载在蓄电池的正极，因此，对蓄电池的电压进行测量时，需对其进行反向，如图7所示，本实施例采用低噪声运放ADOP07CR实现上述功能，且由于蓄电池的种类比较多，以12V 7.2AH蓄电池为例，其电压接近运放工作电压，并且蓄电池在完成充电后，其电压可以达到15V左右，因此对蓄电池电压的采集需进行分压，本实施例采用低温漂的电阻来实现分压，如图7中虚线框中部分。

相应地，对应于上述对蓄电池组中单体蓄电池内阻的分时在线监测，本实施例同样可采用上述固态继电器实现对蓄电池组中多个单体蓄电池电压的分时在线测量。

由于蓄电池的电压是蓄电池性能的一项重要指标，故本实施例的电压测量模块对蓄电池电压的测量为评估蓄电池的性能提供了一项依据。

在本实用新型其他实施例中，上述蓄电池参数监测仪还可包括温度测量模块，上述温度测量模块用于测量上述蓄电池组的温度。

具体地，本实施例中对蓄电池组温度的监测通过数字温度传感器来实现，且数字温度传感器与上述单片机相连，进而单片机将监测结果通信传输至显示设备进行显示。

请参见图8，其为本实用新型提供的蓄电池组温度测量电路图，数字温度传感器具体采用美国Dallas公司生产的单总线数字温度传感器DS18B20，其可以将温度信息直接转化为数字信号，并以单总线的方式与单片机进行通信；且其可在一条总线上挂载多个温度传感器，在不引起接线成本上升的前提下，实现多点测温。

由于蓄电池组的温度值影响蓄电池的寿命和放电率，故通过上述对蓄电池组的温度测量可随时监控蓄电池组的温度并根据温度值采取相应措施。

请参见图9，其为本实用新型实施例提供的蓄电池参数监测仪工作时的逻辑结构图。例如，对8路蓄电池组的内阻进行测量时，图中，由单片机发出的两路信号，一路为参考信号，输出至锁相放大器；一路为交流低频小电流信号，输出至经固态继电器通过多路开关切换功能切换的当前需测量的蓄电池，进而交流低频小电流信号在上述蓄电池两端产生的响应电压信号经过小信号调理处理（即前置放大处理和带通滤波处理）、相敏检波处理和低通滤波处理后被输出至单片机，以进行模数转换及后续的内阻计算处理。对蓄电池两端的电压进行测量时，可通过蓄电池电压测量电路测量出经固态继电器切换的当前蓄电池两端的电压，进而将所测电压输入至单片机中进行模数转换。同样，对蓄电池温度的测量通过相应的温度测量模块即可实现，与上述过程类似，不再详述。最终，可将单片机中存储的蓄电池内阻值、两端电压值以及温度值通过相关通讯传输至显示设备进行显示。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种蓄电池参数监测仪，其特征在于，包括反馈电压测量模块和根据所述反馈电压测量模块的测量结果计算蓄电池内阻的计算模块，其中：

所述反馈电压测量模块包括：

用于发出交流低频小电流信号和参考信号的控制器；

用于对所述交流低频小电流信号进行隔直，并将隔直后的交流低频小电流信号注入所述蓄电池的第一隔直电容；

其中，所述控制器的第一端通过第一隔直电容与所述蓄电池的正极相连，第二端与所述蓄电池的负极相连；

用于对所述交流低频小电流信号在所述蓄电池两端产生的响应电压信号进行隔直放大的第二隔直电容；

用于接收所述参考信号以及经过所述第二隔直电容隔直放大后的响应电压信号，并依据所述参考信号，对经过所述隔直放大后的响应电压信号进行锁相放大处理，以获取所述响应电压信号对应的反馈电压值的锁相放大器；

其中，所述锁相放大器的第一端通过所述第二隔直电容与所述蓄电池的负极相连，第二端与所述蓄电池的正极相连，第三端与所述控制器的第三端相连。

2.根据权利要求1所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，还包括用于测量所述蓄电池两端电势差的蓄电池电压测量模块。

3.根据权利要求1所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，所述蓄电池包括多个单体蓄电池。

4.根据权利要求3所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，所述反馈电压测量模块还包括用于对所述多个单体蓄电池进行分时切换的固态继电器。

5.根据权利要求4所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，还包括用于测量所述蓄电池的温度的温度测量模块，其中：

所述温度测量模块包括数字温度传感器。

6.根据权利要求1所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，所述锁相放大器包括：

用于对经过所述隔直放大后的响应电压信号进行前置放大处理的前置放大器；

用于对经过所述前置放大器处理后的响应电压信号进行带通滤波处理的带通滤波器；

用于接收所述参考信号，并依据所述参考信号对经过所述带通滤波器处理后的响应电压信号进行相敏检波处理的相敏检波器；

用于对经过所述相敏检波器处理后的响应电压信号进行低通滤波处理的低通滤波器；

用于对经过所述低通滤波器处理后的响应电压信号进行直流放大处理的直流放大器。

7.根据权利要求1所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，所述计算模块具体为通过最小二乘法拟合所述反馈电压值与所述蓄电池内阻的线性关系，计算蓄电池内阻的计算模块。

8.根据权利要求1所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，所述控制器为单片机。

9.根据权利要求1所述的蓄电池参数监测仪，其特征在于，还包括用于对计算模块的计算结果进行显示的显示模块。

Images