CN204556731U - 电池内阻测量系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电池内阻测量系统，它涉及电池内阻检测技术领域。它包括控制器、交流恒流源、铅酸蓄电池、精密电阻、隔直电路、滤波放大电路、整流电路、通信模块和上位机，控制器接交流恒流源，交流恒流源接入铅酸蓄电池两端，铅酸蓄电池与精密电阻串联后接隔直电路，隔直电路依次接滤波放大电路、整流电路至控制器中的A/D转换电路，控制器通过通信模块与上位机连接。本实用新型有效检测铅酸蓄电池的内阻，判断蓄电池的健康状态，检测结果稳定精确，不会对蓄电池的性能及使用寿命造成影响，具有一定的实际应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及的是电池内阻检测技术领域，具体涉及电池内阻测量系统。
背景技术
铅酸蓄电池作为供电系统的后备电源，在通信、银行、交通、金融等领域得到广泛应用，其稳定性直接影响这些领域关键系统的稳定与安全，内阻是衡量铅酸蓄电池健康状态的一个重要参数，实验表明老化蓄电池的内阻要明显大于新电池的内阻，因此内阻的检测可显著区分新旧电池，判别蓄电池的健康状态，由于蓄电池内部的化学反应及外部干扰等情况，蓄电池内阻的检测易受噪声影响，同时蓄电池内阻检测技术不够成熟，因此对蓄电池内阻检测很有研究意义。
目前，交流阻抗法是检测铅酸蓄电池内阻热门方法之一，交流阻抗法对蓄电池进行内阻检测，通过测量电池电动势、交流响应电流及使用相位测量器测量的相位差来计算电池内阻，传统交流阻抗法要对响应信号的相位进行检测，同时要考虑检测导线的电阻，检测误差较大；另外也普遍采用直流放电与交流阻抗相结合的检测方法，通过直流放电获得内阻数据与交流法获得的极化内阻的差值来表示蓄电池的内阻，此种直流交流相结合的内阻检测方法仍然需要对蓄电池进行放电操作，会对蓄电池的使用寿命造成影响。
为了解决上述问题，设计一种电池内阻测量系统还是有必要的。
实用新型内容
针对现有技术上存在的不足，本实用新型目的是在于提供一种电池内阻测量系统，结构设计合理，有效检测铅酸蓄电池的内阻，判断蓄电池的健康状态，检测结果稳定精确，不会对蓄电池的性能及使用寿命造成影响，具有一定的实际应用价值。
为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现：电池内阻测量系统，包括控制器、交流恒流源、铅酸蓄电池、精密电阻、隔直电路、滤波放大电路、整流电路、通信模块和上位机，控制器接交流恒流源，交流恒流源接入铅酸蓄电池两端，铅酸蓄电池与精密电阻串联后接隔直电路，隔直电路依次接滤波放大电路、整流电路至控制器中的A/D转换电路，控制器通过通信模块与上位机连接，通信模块选用485通信模块，通信稳定，抗共模干扰能力强，所述的控制器采用高速、低功耗、高抗干扰的单片机，单片机采用单片机STC12C5A60S2。
作为优选，所述的交流恒流源采用正弦波发生器芯片，正弦波发生器芯片的2脚、3脚、4脚、8脚分别接单片机的24脚、25脚、26脚、14脚，正弦波发生器芯片采用正弦波发生器芯片ML2035。
作为优选，所述的滤波放大电路包括第一反相放大器、第二反相放大器，输入信号端依次接第一电阻、第一电容至第一反相放大器的同相输入端，第一电阻与第一电容之间的节点分别接第二电阻、第二电容至第一反相放大器的输出端、地端，第一反相放大器的反相输入端、同相输入端分别接第四电阻、第八电阻至地端，第一反相放大器的反相输入端与输出端之间接有第三电阻，第一反相放大器的输出端接第五电阻至第二反相放大器的反相输入端，第二反相放大器的反相输入端与输出端之间接有第七电阻，第二反相放大器的同相输入端接第六电阻至地端。
作为优选，所述的整流电路由双运算放大器组成，双运算放大器采用型号为LM358的运放，双运算放大器内置第一运算放大器和第二运算放大器，第一运算放大器的5脚接第十电阻至地端，第二运算放大器的2脚依次接第十三电阻、第二二极管至第一运算放大器的7脚，第一运算放大器的7脚接第一二极管至第一运算放大器的6脚，第十三电阻与第二二极管之间的节点接第十一电阻至第一运算放大器的6脚，第一运算放大器的6脚依次接第九电阻、第十二电阻至第二运算放大器的2脚，第二运算放大器的2脚与1脚之间接有第十五电阻，第二运算放大器的3脚接第十四电阻至地端。
本实用新型的有益效果：设计交流恒流源，产生正弦交流信号并注入到蓄电池；引入精密采样电阻，与蓄电池组成串联回路，将蓄电池及精密电阻两端产生的微弱响应信号经处理后送入单片机进行AD转换，根据响应电压比值计算出蓄电池的内阻，可有效检测铅酸蓄电池的内阻，判断蓄电池的健康状态，区分新旧电池，无需对蓄电池进行放电，不会对蓄电池的性能造成影响，免除了一般交流阻抗法对于正弦信号相位差的检测，结果稳定精确，具有一定的实际应用价值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本实用新型；
图1为本实用新型的系统框图；
图2为本实用新型交流恒流源的电路图；
图3为本实用新型滤波放大电路的电路图；
图4为本实用新型整流电路的电路图；
图5为本实用新型的内阻检测原理图。
具体实施方式
为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型。
参照图1-5，本具体实施方式采用以下技术方案：电池内阻测量系统，包括控制器1、交流恒流源2、铅酸蓄电池3、精密电阻R、隔直电路4、滤波放大电路5、整流电路6、通信模块7和上位机8，控制器1接交流恒流源2，交流恒流源2接入铅酸蓄电池3两端，铅酸蓄电池3与精密电阻R串联后接隔直电路4，隔直电路4依次接滤波放大电路5、整流电路6至控制器1中的A/D转换电路，控制器1采用高速、低功耗、高抗干扰的，型号为STC12C5A60S2的单片机U1，单片机U1自带八路高速10位AD转换电路，工作电压可选3V或5V，控制器1通过通信模块7与上位机8连接，通信模块7选用485通信模块，通信稳定，抗共模干扰能力强；系统的工作原理及过程如下：单片机U1控制交流恒流源2输出正弦信号，交流信号注入到铅酸蓄电池3，在铅酸蓄电池3及精密电阻R两端产生响应信号，响应信号经隔直电路4、滤波放大电路5及整流电路6处理，并送入单片机U1进行AD转换和采样，根据测得的铅酸蓄电池3及精密电阻R两端的电压计算出铅酸蓄电池3的内阻，并将数据通过通信模块7传输至上位机8显示保存。
值得注意的是，所述的交流恒流源2采用正弦波发生器芯片U2产生正弦交流信号，如图2，正弦波发生器芯片U2的2脚、3脚、4脚、8脚分别接单片机U1的24脚、25脚、26脚、14脚，正弦波发生器芯片U2采用正弦波发生器芯片ML2035，电路采用正负5V电源，仅需少部分外围器件，并通过单片机U1在特定时钟下，输出控制字即可产生0-25KHz的正弦交流信号，正弦信号与直流信号叠加后，与铅酸蓄电池3正负极及精密电阻R组成串联回路，此时经过回路的交流电流即为恒定交流电流。
值得注意的是，所述的滤波放大电路5包括第一反相放大器U3、第二反相放大器U4，输入信号端依次接第一电阻R1、第一电容C1至第一反相放大器U3的同相输入端，第一电阻R1与第一电容C1之间的节点分别接第二电阻R2、第二电容C2至第一反相放大器U3的输出端、地端，第一反相放大器U3的反相输入端、同相输入端分别接第四电阻R4、第八电阻R8至地端，第一反相放大器U3的反相输入端与输出端之间接有第三电阻R3，第一反相放大器U3的输出端接第五电阻R5至第二反相放大器U4的反相输入端，第二反相放大器U4的反相输入端与输出端之间接有第七电阻R7，第二反相放大器U4的同相输入端接第六电阻R6至地端。
正弦交流信号注入到蓄电池后，由于交流信号微弱，易受噪声干扰，有效信号被抑制，因此抑制噪声干扰，可提高有效信号辨识度可提高系统的精度与检测结果有效性，本具体实施方式采用二阶压控电压源带通滤波电路，其中设计的带通滤波器中心频率为1000Hz，通带宽度为100Hz，如图3，滤波放大电路5主要由带通滤波电路及反相比例放大器组成，响应信号经滤波放大后可有效滤除噪音干扰，滤波电路滤波效果良好，噪声被有效抑制。
此外，所述的整流电路6由双运算放大器组成，双运算放大器采用型号为LM358的运放，双运算放大器内置第一运算放大器U5和第二运算放大器U6，第一运算放大器U5的5脚接第十电阻R10至地端，第二运算放大器U6的2脚依次接第十三电阻R13、第二二极管D2至第一运算放大器U5的7脚，第一运算放大器U5的7脚接第一二极管D1至第一运算放大器U5的6脚，第十三电阻R13与第二二极管D2之间的节点接第十一电阻R11至第一运算放大器U5的6脚，第一运算放大器U5的6脚依次接第九电阻R9、第十二电阻R12至第二运算放大器U6的2脚，第二运算放大器U6的2脚与1脚之间接有第十五电阻R15，第二运算放大器U6的3脚接第十四电阻R14至地端，全波整流后的直流电压信号是脉动直流，含有交流成分，对其进行π型滤波后，消除杂波干扰，进一步抑制噪声，使其变成稳定的直流电压信号。
本具体实施方式所采用交流阻抗法的原理是给电池注入幅值很小的交流电流信号，测出蓄电池两端的响应电压U，流经的电流I及二者的相位差θ，根据Z=U/I与Z=Rcosθ计算出电池内阻r，不过由于蓄电池的内阻很小，通常只有几到几十毫欧，测量导线的电阻就不能忽略，而传统的交流阻抗法未考虑测量导线的电阻，造成检测结果误差较大。
本具体实施方式提出的方法基于四端子法，将驱动电流回路和感应电压回路分开，可消除测量导线的误差，检测方法的具体原理如图5所示，其中：r为蓄电池等效内阻，E为铅酸蓄电池两端电动势，R为精密采样电阻，CE1与R16组成隔直电路，交流恒流源产生的正弦激励信号注入到蓄电池，在蓄电池及精密电阻两端产生响应电压信号Ur(t)，由于响应信号微弱，易被外界噪声干扰，需要设计信号处理电路，对响应信号进行隔直、滤波放大、整流等来抑制噪音、增强信号，并进行AD转换；再根据蓄电及精密电阻两端的响应电压的比值来计算出蓄电池的内阻。
测量中给蓄电池两端施加1KHz的恒定正弦激励信号
(1)
则蓄电池两端及精密电阻两端的响应电压信号分别为
(2)
(3)
由于精密电阻与蓄电池串联在一个回路上，二者响应电压信号的相位差为0，，交流信号经过隔直、滤波放大和整流后，转换成直流电压信号，直流信号经AD转换进入单片机处理，设AD采样次数为n，并在响应信号的周期内进行采样，提高计算精度。则有
(4)
(5)
其中，ADr_ad、ADR _ad分别表示蓄电池两端电压与精密电阻两端电压的10位AD采样值。则
(6)
(7)
其中，Vcc为单片机工作电压，作为模拟参考电压；Vr、VR分别为蓄电池两端和精密电阻两端响应电压转换后的直流电压。
本具体实施方式采样的是精密电阻R与蓄电池内阻r两端的总响应电压UR+r和蓄电池内阻r两端的响应电压Ur，则有
(8)
整流滤波后UR+r(t)转换为直流电压，记为VR+r，则
(9)
其中，ADR+r_ad为UR+r的10位AD采样值。
同时精密采样电阻R与蓄电池内阻r串联构成统一回路，流经二者的电流相同，由欧姆定律及式(6)、(9)可得蓄电池内阻r的表达式为：
(10)
由式(10)可知，蓄电池内阻r只与已知精密采样电阻R、蓄电池两端峰值电压Vr以及蓄电池与采样电阻两端的峰值总电压VR+r有关，后续的处理只需对Vr与VR+r进行精确检测，从而避免了正弦信号相位差的检测，提高了检测精度和系统稳定性。
本具体实施方式在交流阻抗法的基础上引入精密采样电阻，使其与蓄电池组成串联回路，采用交流注入法对蓄电池注入1KHz微弱正弦信号，对蓄电池及精密电阻两端产生的输出响应信号进行隔直、滤波放大、整流等一系列处理，再经AD采样后进入单片机控制器，测得蓄电池及精密电阻两端的响应信号的电压值，计算出蓄电池内阻，避免了一般交流阻抗法中交流电流与交流电压信号的相位差的测量，简化了系统复杂程度，具体成本低、精度高、易实现的特点，为铅酸蓄电池的内阻检测提供一个实用的方法，具有广泛的市场应用前景。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (4)
1.电池内阻测量系统，其特征在于，包括控制器(1)、交流恒流源(2)、铅酸蓄电池(3)、精密电阻(R)、隔直电路(4)、滤波放大电路(5)、整流电路(6)、通信模块(7)和上位机(8)，控制器(1)接交流恒流源(2)，交流恒流源(2)接入铅酸蓄电池(3)两端，铅酸蓄电池(3)与精密电阻(R)串联后接隔直电路(4)，隔直电路(4)依次接滤波放大电路(5)、整流电路(6)至控制器(1)中的A/D转换电路，控制器(1)通过通信模块(7)与上位机(8)连接，所述的控制器(1)采用型号为STC12C5A60S2的单片机(U1)。
2.根据权利要求1所述的电池内阻测量系统，其特征在于，所述的交流恒流源(2)采用正弦波发生器芯片(U2)，正弦波发生器芯片(U2)的2脚、3脚、4脚、8脚分别接单片机(U1)的24脚、25脚、26脚、14脚，正弦波发生器芯片(U2)采用正弦波发生器芯片ML2035。
3.根据权利要求1所述的电池内阻测量系统，其特征在于，所述的滤波放大电路(5)包括第一反相放大器(U3)、第二反相放大器(U4)，输入信号端依次接第一电阻(R1)、第一电容(C1)至第一反相放大器(U3)的同相输入端，第一电阻(R1)与第一电容(C1)之间的节点分别接第二电阻(R2)、第二电容(C2)至第一反相放大器(U3)的输出端、地端，第一反相放大器(U3)的反相输入端、同相输入端分别接第四电阻(R4)、第八电阻(R8)至地端，第一反相放大器(U3)的反相输入端与输出端之间接有第三电阻(R3)，第一反相放大器(U3)的输出端接第五电阻(R5)至第二反相放大器(U4)的反相输入端，第二反相放大器(U4)的反相输入端与输出端之间接有第七电阻(R7)，第二反相放大器(U4)的同相输入端接第六电阻(R6)至地端。
4.根据权利要求1所述的电池内阻测量系统，其特征在于，所述的整流电路(6)由双运算放大器组成，双运算放大器采用型号为LM358的运放，双运算放大器内置第一运算放大器(U5)和第二运算放大器(U6)，第一运算放大器(U5)的5脚接第十电阻(R10)至地端，第二运算放大器(U6)的2脚依次接第十三电阻(R13)、第二二极管(D2)至第一运算放大器(U5)的7脚，第一运算放大器(U5)的7脚接第一二极管(D1)至第一运算放大器(U5)的6脚，第十三电阻(R13)与第二二极管(D2)之间的节点接第十一电阻(R11)至第一运算放大器(U5)的6脚，第一运算放大器(U5)的6脚依次接第九电阻(R9)、第十二电阻(R12)至第二运算放大器(U6)的2脚，第二运算放大器(U6)的2脚与1脚之间接有第十五电阻(R15)，第二运算放大器(U6)的3脚接第十四电阻(R14)至地端。
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