CN206892194U - 脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置 - Google Patents
脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，包括内部测试电路；其中内部测试电路包括恒流放电电路、电压采集电路和电流采集电路；恒流放电电路与蓄电池电气连接，对蓄电池进行脉冲恒流放电；电流采集电路与蓄电池电气连接；电压采集电路与蓄电池电气连接。其优点在于整体电路结构原理简单，能够对单体电池或蓄电池组在线监控，可实施性可靠性强，解决了现有技术在测蓄电池内阻：密度法测试内阻的局限性，开路电压法的准确性，直流放电法大电流对蓄电池放电的伤害性、安全性、采集方式不同的差异性。交流法测内阻系统的复杂性，对真实数据大量处理的真实性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种检测蓄电池内阻的装置，特别涉及一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置。
背景技术
蓄电池作为停电备用电源或者UPS不间断电源，已广泛应用在日常生活、工业生产、交通、通讯等行业。蓄电池老化、断路、短路，都是酿成重大安全事故的隐患。所以蓄电池的安全使用尤其重要。体现蓄电池工作状态，蓄电池容量、蓄电池老化、蓄电池短路、断路，最重要参数之一：蓄电池的内阻。
目前蓄电池测内阻应用较多的是：密度法、开路电压法、直流放电法、和交流法等。密度法：是通过测量蓄电池电解液的密度来估算内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测量，应用范围窄，有局限性。开路电压法：是通过测量蓄电池的端电压来估算蓄电池的内阻，蓄电池在均充和浮充的使用环境中，性能差的蓄电池，依旧有很高的电压。所以该方法精度很差，甚至可能得出错误的结论。直流放电法：是通过对电池进行瞬间大电流放电，测量电池上的瞬间电压降，再通过欧姆定律计算出内阻。这种方法应用较多，但是受外部接线方式，电压降采集方式的不同，内阻的精度，差异性还是很大的。交流法：是通过对蓄电池注入一个恒定的交流信号，测量出蓄电池两端的电压响应信号，以及两者的相位差，由阻抗公式来确定蓄电池的内阻，所以不会对蓄电池的性能造成影响。但是该方法，需要测量交流电压信号，交流的电流信号，以及电压、电流信号的相位差。这种方式干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，对数值参量都需要各种处理，很难保证测量内阻数值的真实性，影响测量精度。
所以，亟需一种单体蓄电池各种参数进行全面的在线测试的装置。
实用新型内容
本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，从而克服现有技术的缺陷，解决上述技术问题。
本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，包括内部测试电路；内部测试电路包括恒流放电电路、电压采集电路和电流采集电路；恒流放电电路与蓄电池电气连接，对蓄电池进行脉冲恒流放电；电流采集电路与蓄电池电气连接；电压采集电路与蓄电池电气连接。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：还包括外部接线电路；内部测试电路通过外部接线电路与蓄电池电气连接。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：外部接线电路为四根线缆。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：内部测试电路还包括MCU单片机，MCU单片机分别与恒流放电电路、电压采集电路和电流采集电路电气连接。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：包括，电流采集的比例运算放大电路、电压采集的比例运算放大电路、PWM放电脉冲发生电路、恒流放电负载电阻、电流取样电阻和电容记忆电路；电容记忆电路一端与蓄电池的正极相连，另一端与电压采集的比例运算放大电路的输入端相连；电压采集的比例运算放大电路的输出端与MCU单片机相连；恒流放电负载电阻的一端与蓄电池的正极相连，另一端与PWM放电脉冲发生电路的一端相连；PWM放电脉冲发生电路的另一端与电流采集的比例运算放大电路的输入端相连；电流采集的比例运算放大电路的输出端与MCU单片机相连；电流取样电阻的一端与蓄电池的负极连接，另一端与电流采集的比例运算放大电路的输入端相连；PWM放电脉冲发生电路的控制端与MCU单片机相连；其中，恒流放电负载电阻、PWM放电脉冲发生电路和电流取样电阻构成脉冲恒流放电回路；PWM放电脉冲发生电路和恒流放电负载电阻构成恒流放电电路；电流采集的比例运算放大电路和电流取样电阻构成电流采集电路；电容记忆电路和电压采集的比例运算放大电路构成电压采集电路。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：内部测试电路还包括通讯模块，通讯模块与MCU单片机相连。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：还包括反馈校准电路，反馈校准电路与内部测试电路相连。
进一步，本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，还具有以下特征：反馈校准电路包括第一电阻、第二电阻和恒压校准电源；恒流放电负载电阻的一端与恒压校准电源的正极相连，另一端分别与电流的取样电阻的一端、第一电阻的一端相连；电流的取样电阻的另一端分别与恒压校准电源的负极、第二电阻的一端相连；第一电阻的另一端与第二电阻的另一端相连；第一电阻和第二电阻的连接点与电压采集电路相连，恒压校准电源的负极与电压采集电路相连；恒流放电负载电阻、电流的取样电阻和第一电阻的连接点与电流采集电阻连接；恒压校准电源的负极与电流采集电路相连。
本实用新型提供了一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置是在直流放电法测蓄电池内阻中，衍生出来的直流脉冲放电检测蓄电池内阻，实现一种高精度检测蓄电池内阻的方法；其整体电路结构原理简单，能够对单体电池或蓄电池组在线监控，可实施性可靠性强，解决了现有技术在测蓄电池内阻：密度法测试内阻的局限性，开路电压法的准确性，直流放电法大电流对蓄电池放电的伤害性、安全性、采集方式不同的差异性。交流法测内阻系统的复杂性，对真实数据大量处理的真实性。
附图说明
图1是脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置的原理图。
图2是外部接线电路的连接原理图。
图3是外部接线电路的连接电路图。
图4是内部测试电路的原理图。
图5是内部测试电路的电路图。
图6是各测试点的脉冲波形图。
图7是反馈校准电路的电路图。
附图标记
Ra:高精度恒流放电负载电阻 K：PWM放电脉冲发生电路
RLEAD:引线端子和线缆的等效阻抗 R：蓄电池内阻。
UR:蓄电池内阻的电压 VM:设备测得的电压。
U蓄:蓄电池电压 I:测试电流(恒流放电电流)
T0T1T2T3T4：测试点脉冲波形 Ra：高精度恒流放电负载电阻
A1：电流采集的比例运算放大电路 U b：高精度电流取样电阻Rb上的电压
A2：电压采集的比例运算放大电路 C1：电容记忆电路
Rb：高精度电流取样电阻(已知) U:恒压校准电源
R1：第一电阻 R2：第二电阻
Gnd：电压采样的参考地
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细描述。
图1是脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置的原理图。
如图1所示，脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置包括：内部测试电路、外部接线电路和反馈校准电路。内部测试电路通过外部接线电路与蓄电池电气连接，反馈校准电路与内部测试电路相连。
为了使蓄电池内阻的测量有很高的准确性，有效的滤除或降低由蓄电池外部金属导电柱、与导电柱连接的金属端子、安装螺丝垫片、以及连接到检测设备的线缆等对蓄电池内阻测试过程中外部干扰。本发明应用开尔文法(四线测电阻法)，设计一种测蓄电池内阻的设备外部接线的电路如图2所示，外部节点电路由四根线缆，构成两个回路，检测直流脉冲恒流放电变化电流i回路，检测直流脉冲恒流放电变化电压u回路。
如图3所示，蓄电池电压取样电路Vm的阻抗非常大取样电流就非常的小，线缆阻抗的压降可以忽略不计Vm＝U蓄。PWM放电脉冲发生电路K类似等效为放电回路上的开关。蓄电池取样电流I(测试电流)＝U蓄电池的开路电压/(Ra负载电阻+2*RLEAD线缆电阻+R蓄电池内阻)。UR蓄电池内阻电压＝U蓄电池的开路电压-U蓄电池的闭路电压。恒流放电回路上，由于各单元的阻抗相互串联，电流I(测试电流)处处相等。蓄电池内阻R＝UR/I。
应用这种开尔文法设计的测量蓄电池内阻的外部接线的电路，配合设备内部高精度恒流放电负载电阻，MCU单片机同步采集恒流放电电压、恒流放电电流实时计算蓄电池内阻值，配合本发明设计的反馈效准蓄电池内阻电路。在内阻测试上数值既有很高的精度、真实性、也有很高的准确性。
图4是内部测试电路的原理图。
如图4所示，内部测试电路包括：恒流放电电路、电压采集电路、电流采集电路、MCU单片机、通讯模块和供电电路。
恒流放电电路与蓄电池电气连接，对蓄电池进行脉冲恒流放电；电流采集电路与蓄电池电气连接；电压采集电路与蓄电池电气连接。MCU单片机分别与恒流放电电路、电压采集电路和电流采集电路电气连接。通讯模块与MCU单片机相连。供电模块与恒流放电电路、电压采集电路、电流采集电路、MCU单片机、通讯模块相连。
供电模块对内部其他各个功能模块进行供电。通讯模块实现设备通讯模块连接到外部通讯总线，可以通过外部通讯总线对单体蓄电池或蓄电池组，进行在线监控。电流采集模块采集脉冲放电回路中，电流的变化值。电压采集模块采集脉冲放电过程中，电压的变化值。恒流放电模块对放电回路进行脉冲恒流的放电。
图5是内部测试电路的电路图。
如图5所示，内部测试电路包括：电流采集的比例运算放大电路A1、电压采集的比例运算放大电路A2、PWM放电脉冲发生电路K、高精度恒流放电负载电阻Ra、高精度电流取样电阻Rb和电容记忆电路C1。
电容记忆电路C1一端与蓄电池的正极相连，另一端与电压采集的比例运算放大电路A2的输入端相连；电压采集的比例运算放大电路A2的输出端与MCU单片机相连。
高精度恒流放电负载电阻Ra的一端与蓄电池的正极相连，另一端与PWM放电脉冲发生电路K的一端相连；PWM放电脉冲发生电路K的另一端与电流采集的比例运算放大电路A1的输入端相连；电流采集的比例运算放大电路A1的输出端与MCU单片机相连。
高精度电流的取样电阻Rb的一端与蓄电池的负极连接，另一端与电流采集的比例运算放大电路A1的输入端相连。PWM放电脉冲发生电路K的控制端与MCU单片机相连。蓄电池的负极还有与电压采样的参考地连接。
高精度恒流放电负载电阻Ra、PWM放电脉冲发生电路K和高精度电流取样电阻Rb构成脉冲恒流放电回路；电流采集的比例运算放大电路A1和高精度电流取样电阻Rb构成电流采集电路；电容记忆电路C1和电压采集的比例运算放大电路A2构成电压采集电路。
其中T0T1T2T3T4：脉冲波形测试点。T0为MCU单片机控制K(PWM放电脉冲发生电路)的脉冲波形测试点。T1为蓄电池恒流放电电压变化的脉冲波形测试点。T2为电压采集模块输出至MCU单片机模拟采样口的脉冲波形测试点。T3为蓄电池恒流放电电流变化的脉冲波形测试点。T4为电流采集模块输出至MCU单片机模拟采样口的脉冲波形。
MCU单片机控制恒流放电模块中的PWM放电脉冲发生电路K(T0)，脉冲恒流放电回路对蓄电池进行脉冲放电，电压采集模块同步采集蓄电池脉冲变化的电压U(T1),电流采集模块同步采集脉冲电流I(T3)。
电压采集电路中电容记忆电路C1由电容本身的特性，可以将蓄电池放电变化的脉冲电压U(T1)，传输给后级的比例运算放大电路A2，比例运算放大电路A2对脉冲电压U(T1)进行比例放大并给其放大的脉冲电压加上1.8V的偏置电压(T2)输出给MCU单片机模拟采样口。MCU单片机对采集进来脉冲电压(T2)的上限和脉冲电压的下限做减法运算。得到的比例运放后的电压差值。单片机软件对其电压(T2)差值进行等比例还原，得到蓄电池恒流放电电压变化的差值(内阻电压)U。
电流采集模块中的比例运算放大电路A1，采集高精度电流取样电阻Rb的脉冲电压Ub(T3)(恒流放电的回路电流I＝Ub/Rb),电流采集模块中的比例运算放大电路A1对取样电阻电压Ub进行等比例放大(T4),将Ub放大后的脉冲电压(T4)传输给单片机的模拟采样口。MCU对采集脉冲电压(T4)的上限和脉冲电压的下限做减法运算，得到电压(T4)比例运放后的差值，MCU单片机对电压(T4)进行等比例还原，得到蓄电池恒流放电Rb上的电压Ub的差值(取样电阻电压),MCU单片机计算恒流放电回路电流I＝Ub/Rb(内阻电流)。
当同步得到内阻电压U，内阻电流I。
MCU计算内阻值：Rm＝U/I。
最后内部功能模块电路中的通讯模块接到外部通讯总线，当MCU单片机通过通讯模块接收到外部通讯总线的命令。对应相关的通讯协议，将采集的蓄电池参数再通过通讯模块，发送给外部通讯总线上。上层的实时监控系统就可以对本发明测内阻的装置，进行实时的监控。
本发明在内部功能模块电路中使用了脉冲恒流放电的方法。恒流放电是为了保证对蓄电池内阻参数样值采集的精确。放电脉冲毫秒时间的间歇放电脉冲里面丰富的谐波分量成分，不会造成对蓄电池放电的伤害起到了一定的活化功能。
图7是反馈校准电路的电路图。
如图7所示，反馈校准电路包括：第一电阻R1、第二电阻R2和恒压校准电源。
恒流放电负载电阻的一端与恒压校准电源的正极相连，另一端分别与高精度电流的取样电阻Rb的一端、第一电阻R1的一端相连。高精度电流的取样电阻Rb的另一端分别与恒压校准电源的负极、第二电阻R2的一端相连。第一电阻R1的另一端与第二电阻R2的另一端相连。
第一电阻R1和第二电阻R2的连接点与电压采集电路相连，恒压校准电源的负极与电压采集电路相连。恒流放电负载电阻、高精度电流的取样电阻Rb和第一电阻R1的连接点与电流采集电阻连接；恒压校准电源的负极与电流采集电路相连。恒压校准电源U，高精度恒流放电负载电阻Ra，Rb高精度电流取样电阻构成一个放电回路。由电阻的串联定律所以放电回路的电流I相同,I＝Ub/Rb。
反馈校准电路的工作原理：
1、Rb纯铜金属电阻和反馈校准电路电阻并联，所以反馈校准电路两端电压和Rb纯铜金属电压相同为Ub。
2、由R1、R2组成的分压电路分Ub的电压。R1电压U1，R2电压U2。
3、电压采集口电压为U2＝(R2/(R1+R2))Ub
4、反馈校准电路，高精度电阻R1和R2阻值已知。C＝(R2/(R1+R2))为常数。
5、电压采集口电压为U2＝C*Ub,电流采集模块采样电流I＝Ub/Rb
6、设备测得内阻值Rm、校准内阻值Rma
Rma＝U2/I 公式1
Rma＝(C*Ub)/(Ub/Rb) 公式2
Rma＝C*Rb 公式3
Rma＝(R2/(R1+R2))*Rb 公式4
因为公式4中，R1、R2、Rb都是已知量。所以校准内阻值Rma为已知常数。
将校准内阻值Rma做为系数对设备测得内阻值Rm进行校准、效验、补偿。
反馈校准电路先期对蓄电池采集设备模拟采样通道进行校准补偿，保证后面检测的蓄电池内阻值的准确性，后期设备在蓄电池上应用，使用反馈校准电路，既能检测蓄电池内阻的真实性同时还能实时的了解设备工作的情况。
由于在实际应用型电子产品都存在电磁兼容EMC、电源完整性EMI、信号完整性等电路结构的问题，和微处理器的模拟采样通道差异性。本发明在应用经典电学基础上设计的反馈校准电路，该电路解决了受各种外在因素影响对蓄电池内阻真实性的采集。保证了测量蓄电池内阻的真实性和准确性。
本发明的蓄电池内阻检测设备与国内知名品牌某地铁公司生产的机房蓄电池检测仪表测量结果相比情况如下：
被测蓄电池数量：3只。
被测蓄电池型号：NP200-12 12V-200Ah
机房蓄电池检测仪表：1个。
检测设备：3只，1号设备、2号设备、3号设备。
检测：1号电池、2号电池、3号电池。
一号蓄电池内阻检测数据
| 1号蓄电池 | 仪表 | 1号设备 | 2号设备 | 3号设备 |
| 1次测试 | 3.21 | 3.20 | 3.19 | 3.20 |
| 2次测试 | 3.20 | 3.21 | 3.21 | 3.19 |
| 3次测试 | 3.19 | 3.20 | 3.21 | 3.20 |
| 最大差值 | 0.02 | 0.01 | 0.02 | 0.01 |
二号蓄电池内阻检测数据
| 2号蓄电池 | 仪表 | 1号设备 | 2号设备 | 3号设备 |
| 1次测试 | 3.12 | 3.10 | 3.11 | 3.12 |
| 2次测试 | 3.10 | 3.11 | 3.11 | 3.10 |
| 3次测试 | 3.10 | 3.11 | 3.12 | 3.10 |
| 最大差值 | 0.02 | 0.01 | 0.01 | 0.02 |
三号蓄电池内阻检测数据
从以上表格数据看出本发明检测设备最大误差和机房蓄电池检测仪表最大误差均在比较好的误差范围内。显然作为单体蓄电池或蓄电池组在线检测实时监控设备，检测精度是非常高的，能够真实的反应蓄电池工作的情况。
蓄电池广泛使用在我们的日常生活、工业生产、交通、通讯等行业。对于它的安全使用是一个很重要的课题。特别是近几年来实时在线监控系统的兴起，在蓄电池使用方面多了很多的保障。本发明已在轨道交通行业大量的应用，实践表明该装置是一种实时在线监控检测蓄电池有效的方案。
Claims (8)
1.一种脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：内部测试电路；
所述内部测试电路包括恒流放电电路、电压采集电路和电流采集电路；所述恒流放电电路与蓄电池电气连接，对蓄电池进行脉冲恒流放电；所述电流采集电路与蓄电池电气连接；所述电压采集电路与蓄电池电气连接。
2.根据权利要求1所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：还包括外部接线电路；所述内部测试电路通过所述外部接线电路与蓄电池电气连接。
3.根据权利要求2所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述外部接线电路为四根线缆。
4.根据权利要求1所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述内部测试电路还包括MCU单片机，所述MCU单片机分别与所述恒流放电电路、所述电压采集电路和所述电流采集电路电气连接。
5.根据权利要求4所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：包括，电流采集的比例运算放大电路、电压采集的比例运算放大电路、PWM放电脉冲发生电路、恒流放电负载电阻、电流取样电阻和电容记忆电路；
所述电容记忆电路一端与蓄电池的正极相连，另一端与所述电压采集的比例运算放大电路的输入端相连；所述电压采集的比例运算放大电路的输出端与所述MCU单片机相连；
所述恒流放电负载电阻的一端与蓄电池的正极相连，另一端与所述PWM放电脉冲发生电路的一端相连；所述PWM放电脉冲发生电路的另一端与所述电流采集的比例运算放大电路的输入端相连；所述电流采集的比例运算放大电路的输出端与所述MCU单片机相连；
所述电流取样电阻的一端与蓄电池的负极连接，另一端与电流采集的比例运算放大电路的输入端相连；
所述PWM放电脉冲发生电路的控制端与所述MCU单片机相连；
其中，所述恒流放电负载电阻、所述PWM放电脉冲发生电路和所述电流取样电阻构成所述脉冲恒流放电回路；
所述PWM放电脉冲发生电路和所述恒流放电负载电阻构成所述恒流放电电路；
所述电流采集的比例运算放大电路和所述电流取样电阻构成所述电流采集电路；
所述电容记忆电路和所述电压采集的比例运算放大电路构成所述电压采集电路。
6.根据权利要求4所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述内部测试电路还包括通讯模块，所述通讯模块与所述MCU单片机相连。
7.根据权利要求1所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：还包括反馈校准电路，所述反馈校准电路与所述内部测试电路相连。
8.根据权利要求7所述的脉冲恒流放电精确检测蓄电池内阻的装置，其特征在于：所述反馈校准电路包括第一电阻、第二电阻和恒压校准电源；
所述恒流放电负载电阻的一端与所述恒压校准电源的正极相连，另一端分别与所述电流的取样电阻的一端、所述第一电阻的一端相连；
所述电流取样电阻的另一端分别与所述恒压校准电源的负极、所述第二电阻的一端相连；
所述第一电阻的另一端与所述第二电阻的另一端相连；
所述第一电阻和所述第二电阻的连接点与所述电压采集电路相连，所述恒压校准电源的负极与所述电压采集电路相连；
所述恒流放电负载电阻、所述电流的取样电阻和所述第一电阻的连接点与所述电流采集电阻连接；所述恒压校准电源的负极与所述电流采集电路相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |