CN208689117U - 一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统，主要包括内阻检测模块、主控模块、电源模块、RS485通信模块以及显示模块，通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数并送至主控模块中进行数据处理，从而计算得到最终蓄电池内电阻值，测量同时判断系统是否发生过流过热故障，若判断是则触发过流过热应急保护电路执行断路保护动作。本实用新型具有以下优点：该蓄电池内电阻检测系统通过双重硬件滤波电路有效地克服了噪声和干扰,进一步提高内电阻测量精度，同时增设过流过热应急保护电路，实现对检测仪器的过流过热保护，提高蓄电池内电阻检测系统的可靠性和安全性。

Description

一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种蓄电池内电阻检测系统，特别是一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统。

背景技术

蓄电池作为电源系统停电时的备用电源，已广泛应用于工业生产，以及交通、通信等行业。如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对蓄电池的运行参数进行全面的在线监测。蓄电池状态的重要标志之一就是它的内阻。无论是蓄电池即将失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此可以通过测量蓄电池的内阻，对其工作状态进行评估。目前测量蓄电池内阻的常见方法有：

(1)密度法

密度法主要通过测量蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸电池的内阻测量，不适合密封铅酸蓄电池的内阻测量，该方法的适用范围窄。

(2)开路电压法

开路电压法是通过测量蓄电池的端电压来估计蓄电池的内阻，精度很差，甚至得出错误结论。因为即使一个容量已经变得很小的蓄电池，在浮充状态下其端电压仍可能表现得很正常。

(3)直流放电法

直流放电法就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，通过欧姆定律计算出电池内阻。虽然这种方法在实践中也得到了广泛的应用，但是它也存在一些缺点。如用该方法对蓄电池内阻进行检测必须是在静态或是脱机状态下进行，无法实现在线测量。而且大电流放电会对蓄电池造成较大的损害，从而影响蓄电池的容量及寿命。

(4)交流注入法

交流注入法通过对蓄电池注入一个恒定的交流电流信号Is，测量出蓄电池两端的电压响应信号Vo，以及两者的相位差θ，由阻抗公式Z＝Vo/Is及R＝Z cosθ来确定蓄电池的内阻R。该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻，故不会对蓄电池的性能造成影响。但该方法需要测量交流电流信号Is、电压响应信号Vo，以及电压和电流之间的相位差θ。由此可见，这种方法不但干扰因素多，而且增加了系统的复杂性，也影响了测量精度。

(5)四端子测量法

为提高测量精度，激励信号加到四端子测头上，两个端子用于施加激励信号，另两个端子用于测量。为减少因导线长短不一以及端子接触面积不统一等问题对测量产生的影响，消除因测量端子接触电阻而产生的系统误差，引入四线法对电池进行布线，这样就可以区分开注入信号的电路和测量电路，减少相互之间的干扰。四端子测量方式将蓄电池两端上的电压响应信号通过交流差分电路与产生恒定交流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过滤波电路，使交流信号转变为直流信号，直流信号经直流放大器放大后再进行模数转换，将转换后的值送入单片机。测量时两个端子施加一频率为10kHz士0.1kHz的恒定交流激励电流信号，另两个端子用于测量。测量工作原理如图2所示，响应信号是指蓄电池注入交流恒流源后，在其两端测出的交流电压号。而正弦信号是经D-A产生的作为压控恒流的输入信号。设正弦信号为

u1(ωt)＝A cosωt (1)

蓄电池两端的响应电压信号为：

u2(ωt)＝B cos(ωt+θ) (2)

θ为注入蓄电池的交流电流和其两端响应电压信号的相位差，A 为正弦信号幅值系数，B为响应电压信号幅值系数。

通过模拟乘法器后有：

u(ωt)＝k*u1(ωt)*u2(ωt)＝kAB cos ωt*cos(ωt+θ)＝0.5kAB [cosθ+cos(2ωt+θ)] (3)

k为模拟乘法器的放大系数。

进行低通滤波后滤掉交流成分，得：

u＝0.5kAB cosθ (4)

由交流法测内阻原理得：

R＝B cosθ/I (5)

式中，I为交流恒流源信号的最大值。比较(4)、(5)可得蓄电池内电阻值R₀：

R₀＝2u/kAI (6)

上式中k、A、I都是已知量，而u为经过A-D采样送到单片机进行处理的采样值，所以在单片机中进行一个简单的除法运算可得到蓄电池内阻值R₀。

而在实际测量中，由于电池内阻很小，干扰和噪声对它的影响就会很大，所以有效地抑制干扰和噪声，提高测量精度在内阻测量中就变得十分重要。并且在使用四端子测量法实际操作中，发现往往由于工程师的误操作导致施加在蓄电池两端上的电流源信号过大，使得瞬间产生的大电流流过检测仪器，从而损坏检测仪器。可见，目前的蓄电池内电阻检测系统检测精度不高导致不能准确真实反映电池容量状态，而且由于缺乏过流过热保护功能，容易损坏检测仪器，造成因不必要的仪器更换导致发生经济损失和资源浪费。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提出一种基于现有四端子测量系统基础上改进的一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统，以解决目前蓄电池内电阻检测系统中存在的噪声干扰较大以及缺乏过流过热保护功能的不足，该蓄电池内电阻检测系统改进在于通过双重滤波电路以及增设温度检测模块，放电电流检测模块，过流过热应急保护模块，从而有效地克服了噪声和干扰，提高内电阻测量精度，使得检测系统具备过流过热保护功能。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：提供一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统，该检测系统包括内阻检测模块、主控模块、电源模块、RS485通信模块、CAN通信模块、 JATG接口以及显示模块；其中所述的检测系统通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数，同时将上述采集的参数经过AD转换后送至主控模块中进行数据处理，从而计算得到最终蓄电池内电阻值，同时把处理的结果显示在液晶屏上，实现蓄电池内阻测量；并且在测量过程中，主控模块根据内电阻检测模块采集的蓄电池温度参数、放电电流参数检测判断系统是否发生过流过热故障，且在系统出现过流过热故障时，触发过流过热应急保护电路执行断路保护动作；

其中所述RS485通信模块、CAN通信模块、JATG接口分别与主控模块连接。

其中所述的内阻检测模块由正弦波的发生电路、滤波、放大以及 AD转换电路构成，同时还包括温度检测模块，放电电流检测模块，过流过热应急保护模块；

内阻检测模块将蓄电池两端上的正弦波电压响应信号与电流恒流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过相敏检波和低通滤波器电路,使交流信号转变为直流信号, 直流信号经直流放大模块放大后再进行模数转换,将转换后的值送入主控模块进行内电阻计算；其中，所述的电流恒流源的正弦信号为主控模块输出的SPWM信号经低通滤波器而得到；

所述的温度检测模块、放电电流检测模块实现蓄电池温度参数、放电电流值参数采集，将上述采集的温度、电流参数经过模数转换后送入过流过热应急保护模块进行故障检测，当检测系统发生过流过热故障时，主控模块触发过流过热应急保护模块实现断路保护动作。

所述的过流过热应急保护模块包括一信号处理电路、断路开关；所述的信号处理电路包括比较器，所述的断路开关选用可恢复保险丝或者可控型场效应管实现；所述的主控模块采用MSP430系列单片机；所述的温度检测模块、放电电流检测模块可通过霍尔传感器或者内嵌于主控模块内的模块电路实现。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、相对于现有技术中的四端子测量内电阻方式，本申请内电阻检测模块同时实现正弦波信号电流恒流源、电压响应信号的双重滤波，通过双重硬件滤波电路有效地克服了噪声和干扰,进一步提高内电阻测量精度，使得所测内电阻值更加接近实际的蓄电池的健康状态，且实现完全的在线检测,检测原理简单，并且简化了设计，测量速度快、成本低；

2、相对于现有技术中的蓄电池内电阻检测系统，本申请通过增设过流过热应急保护电路，实现对检测仪器的过流过热保护，提高蓄电池内电阻检测系统的可靠性和安全性，同时减少因不必要的仪器更换导致发生经济损失和资源浪费。

附图说明

图1为现有技术四端子测量方式等效电路图

图2为本实用新型蓄电池内电阻检测系统硬件结构图

图3为本实用新型蓄电池内阻检测模块工作原理示意图

图4为本实用新型蓄电池内阻检测模块中的放电电流检测电路

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

图1为四端子测量方式等效电路图。R1，R2,R3和R4是等效接触电阻；RS是电池的等效内阻；i1是激励电流；i2是测量电流。

图2所示为本实用新型蓄电池内电阻检测系统硬件结构图。该检测系统包括：内阻检测模块、主控模块、电源模块、RS485通信模块、 CAN通信模块、JATG接口以及显示模块等设计。

相对于现有技术中四端子测量方式，本实用新型在检测系统的扩展和配置设计中，综合考虑软硬件兼顾、满足低功耗的要求以及提高可靠性、抗干扰性并结合蓄电池内阻测量控制系统要实现的功能，主控模块优选采用MSP430系列单片机，该单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求处理能力强、功耗低的场合，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式 (7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；并且MSP430系列单片机能在 25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加运算)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如FFT等)，具有处理能力强，运算速度快优点。但本实用新型的主控模块不局限于上述单片机，主控模块可选用其他逻辑硬件电路构成。

本实用新型的蓄电池内电阻检测系统工作原理：通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数，同时将上述采集的参数经过AD转换后送至主控模块中进行数据处理，从而计算得到最终蓄电池内电阻值，同时把处理的结果显示在液晶屏上，实现蓄电池内阻测量；并且在测量过程中，主控模块根据内电阻检测模块采集的蓄电池温度参数、放电电流参数检测判断系统是否发生过流过热故障，且在系统出现过流过热故障时，触发过流过热应急保护电路执行断路保护。

图3为本实用新型蓄电池内阻检测模块工作原理示意图。内阻检测模块是系统的核心和重要部分，其设计精度要比较高，信号处理效果直接影响测量结果。由于检测信号为微小信号，容易受到外界环境的干扰，所以在对信号检测的过程中，需要对信号进行滤波等抗干扰处理。

内阻检测模块由正弦波的发生电路、滤波、放大以及AD电路构成，同时还包括温度检测模块，放电电流检测模块，过流过热应急保护模块。其具体工作原理为：将蓄电池两端上的正弦波电压响应信号与电流恒流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过相敏检波和低通滤波器电路,使交流信号转变为直流信号,直流信号经直流放大模块放大后再进行模数转换,将转换后的值送入主控模块进行内电阻计算。为了进一步提高该检测系统的检测精度，上述正弦信号电流恒流源为主控模块输出的SPWM信号经低通滤波器而得到，从而更有效地抑制噪声干扰。在测量过程中同时，温度检测模块、放电电流检测模块实现蓄电池温度参数、放电电流值参数采集，将上述采集的温度、电流参数经过模数转换后送入过流过热应急保护模块进行故障检测，当检测判断系统发生过流过热故障时，主控模块触发过流过热应急保护模块实现断路保护动作，从而避免大电流损坏检测仪器。其中所述的过流过热应急保护模块包括信号处理电路、断路开关。如图4所示，信号处理电路可由比较器及其他分立元器件构成的硬件电路实现，断路开关选用可恢复保险丝或者可控型场效应管等，但不局限于上述形式。其中温度检测模块、放电电流检测模块可通过霍尔传感器或者内嵌于单片机内的模块电路实现，如图4所示为放电电流检测模块的某一实施方式。

以上对本实用新型所提供的一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统进行了详细介绍，本具体实施方式中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims (3)

1.一种具有过流过热应急保护功能的蓄电池内电阻检测系统，其特征在于，该检测系统包括内阻检测模块、主控模块、电源模块、RS485通信模块、CAN通信模块、JATG接口以及显示模块；其中所述的检测系统通过内阻检测模块采集经过放大、滤波的激励信号以及蓄电池温度参数、放电电流参数，同时将上述采集的参数经过AD转换后送至主控模块中进行数据处理，从而计算得到最终蓄电池内电阻值，同时把处理的结果显示在液晶屏上，实现蓄电池内阻测量；并且在测量过程中，主控模块根据内电阻检测模块采集的蓄电池温度参数、放电电流参数检测判断系统是否发生过流过热故障，且在系统出现过流过热故障时，触发过流过热应急保护电路执行断路保护动作；

其中所述RS485通信模块、CAN通信模块、JATG接口分别与主控模块连接。

2.根据权利要求1所述的蓄电池内电阻检测系统，其特征在于：其中所述的内阻检测模块由正弦波的发生电路、滤波、放大以及AD转换电路构成，同时还包括温度检测模块，放电电流检测模块，过流过热应急保护模块；

内阻检测模块将蓄电池两端上的正弦波电压响应信号与电流恒流源的正弦信号经过模拟乘法器相乘，再将模拟乘法器的输出电压信号通过相敏检波和低通滤波器电路,使交流信号转变为直流信号,直流信号经直流放大模块放大后再进行模数转换,将转换后的值送入主控模块进行内电阻计算；其中，所述的电流恒流源的正弦信号为主控模块输出的SPWM信号经低通滤波器而得到；

所述的温度检测模块、放电电流检测模块实现蓄电池温度参数、放电电流值参数采集，将上述采集的温度、电流参数经过模数转换后送入过流过热应急保护模块进行故障检测，当检测系统发生过流过热故障时，主控模块触发过流过热应急保护模块实现断路保护动作。

3.根据权利要求2所述的蓄电池内电阻检测系统，其特征在于：所述的过流过热应急保护模块包括一信号处理电路、断路开关；所述的信号处理电路包括比较器，所述的断路开关选用可恢复保险丝或者可控型场效应管实现；所述的主控模块采用MSP430系列单片机；所述的温度检测模块、放电电流检测模块可通过霍尔传感器或者内嵌于主控模块内的模块电路实现。