CN211263712U

CN211263712U - 蓄电池阻抗测试装置

Info

Publication number: CN211263712U
Application number: CN201921350210.8U
Authority: CN
Inventors: 丛培杰; 吴杰; 曲德宇; 刘珊; 蔡蒂; 赵浩标; 张锐健; 陈远军; 何志雄
Original assignee: Guangzhou Power Supply Bureau Co Ltd
Current assignee: Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co Ltd
Priority date: 2019-08-20
Filing date: 2019-08-20
Publication date: 2020-08-14
Anticipated expiration: 2029-08-20

Abstract

本实用新型涉及一种蓄电池阻抗测试装置。该装置包括串联连接的被测蓄电池和采样模块；该装置还包括多频信号产生电路，恒流源，第一放大单元，第二放大单元及处理单元；多频信号产生电路用于输出若干不同频率的参考电压信号；恒流源分别与多频信号产生电路和被测蓄电池连接，用于产生与各参考电压信号同频率的恒定电流信号；第一放大单元用于采集并放大不同频率下被测蓄电池两端的第一电压信号；第二放大单元用于采集并放大不同频率下采样模块两端的第二电压信号；所述处理单元用于根据第一电压信号与第二电压信号计算不同频率下所述被测蓄电池的阻抗。本申请可实现不同状态下蓄电池阻抗的精准测试，从而可以更加准确的反应出蓄电池的健康状态。

Description

蓄电池阻抗测试装置

技术领域

本实用新型涉及电池阻抗检测技术领域，特别是涉及一种蓄电池阻抗测试装置。

背景技术

蓄电池的内阻作为能够体现电池性能的重要参数之一，已经成为检测蓄电池容量和健康状态的一个关键指标。

目前，常用的电池内阻测量方法主要有直流放电法和交流注入法。直流放电法的原理是让电池处于静态(或脱机)状态，然后对外部负载进行大电流放电，测量电池的电压和放电电流，通过这两个数值的比值得出电池的内阻。但是在实际应用中，电池内阻只能反应电池的欧姆电阻，对于电池的状态评估有很大的局限性。而传统的交流注入法是对电池注入一定频率的恒定的交流电流信号，同时捕捉电池对该交流电流信号的反馈电压信号以及两者的相位差，从而测出电池组的交流阻抗值。但是该方法仍然无法准确的反应出电池的谱特性，进而评估出来的电池状态结果也不是很准确。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述问题，提供一种蓄电池阻抗测试装置。

一种蓄电池阻抗测试装置，所述装置包括串联连接的被测蓄电池和采样模块；所述装置还包括多频信号产生电路，恒流源，第一放大单元，第二放大单元及处理单元；

所述多频信号产生电路用于输出若干不同频率的参考电压信号；

所述恒流源分别与所述多频信号产生电路和所述被测蓄电池连接，用于产生与各所述参考电压信号同频率的恒定电流信号；

所述第一放大单元连接在所述被测蓄电池两端，用于采集不同频率下所述被测蓄电池两端的第一电压信号、并对所述第一电压信号进行放大；

所述第二放大单元连接在所述采样模块两端，用于采集不同频率下所述采样模块两端的第二电压信号、并对所述第二电压信号进行放大；

所述处理单元分别与所述第一放大单元和所述第二放大单元连接；用于根据所述第一电压信号与所述第二电压信号计算不同频率下所述被测蓄电池的阻抗。

在其中一个实施例中，所述蓄电池阻抗测试装置还包括：

第一低通滤波电路，连接在所述第一放大单元和所述处理单元之间。

在其中一个实施例中，所述第一低通滤波电路包括电阻R9，电容C5，运算放大器U3；所述电阻R9的一端接所述第一放大单元的输出端，另一端与所述运算放大器U3的同相输入端连接；所述电容C5的一端接在所述电阻R9和所述运算放大器U3的同相输入端之间，另一端接地；所述运算放大器U3的反相输入端与所述运算放大器U3的输出端连接。

在其中一个实施例中，所述蓄电池阻抗测试装置还包括：

第二低通滤波电路，连接在所述第二放大单元和所述处理单元之间。

在其中一个实施例中，所述蓄电池阻抗测试装置还包括：

模数转换单元，所述模数转换单元的输入端分别与所述第一低通滤波电路和所述第二低通滤波电路连接，所述模数转换单元的输出端与所述处理单元的输入端连接。

在其中一个实施例中，所述模数转换单元包括一模数转换芯片D12，所述模数转换芯片D12的型号为MAX197。

在其中一个实施例中，所述多频信号产生电路包括一数字频率合成器D14，所述数字频率合成器的型号为AD7008。包括数字频率合成器D14和运算放大器 N5，所述数字频率合成器D14的输出端与所述运算放大器N5的反相输入端连接，所述运算放大器N5的同向输入端接地，所述运算放大器N5的输出端为所述多频信号产生电流的输出端。

在其中一个实施例中，所述第一放大单元包括隔直电容C3，隔直电容C4 和运算放大器UA1；所述运算放大器UA1的第一输入端通过所述隔直电容C3 与所述被测蓄电池的负极连接，所述运算放大器UA1的第二输入端通过所述隔直电容C4与所述被测蓄电池的正极连接，所述运算放大器UA1的输出端为所述第一放大单元的输出端。

在其中一个实施例中，所述多频信号产生电路产生的频率范围在0.1Hz至 1000Hz之间。

在其中一个实施例中，所述恒流源包括一功率放大器U2，NPN型三极管 Q1，PNP型三极管Q2；所述功率放大器U2的第一输入端通过电阻R2接地，第二输入端通过电阻R1与所述多频信号产生电路的输出端连接；所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP型三极管Q2的发射极连接，所述NPN型三极管Q1的集电极接外部电源的正极，NPN型三极管Q1的基极与所述PNP型三极管Q2的基极连接；所述PNP型三极管Q2的集电极接外部电源的负极；所述功率放大器U2的输出端接在所述NPN型三极管Q1的基极与所述PNP型三极管Q2的基极之间；所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP型三极管Q2 的发射极作为所述恒流源的输出端。

上述蓄电池阻抗测试装置，通过在测量过程中产生精确的不同频率(可变频)参考电压信号和与参考电压信号同频率的恒定电流信号至被测蓄电池和采样模块，通过对流过被测蓄电池和采样模块两端的第一电压信号和第二电压信号进行采集并放大，并根据所述第一电压信号与所述第二电压信号计算不同频率下所述被测蓄电池的阻抗，可实现不同状态下蓄电池阻抗的精准测试，从而可以更加准确的反应蓄电池的健康状态；同时利用放大电路、滤波电路对采集到的电压信号进行放大、滤波，可以有效的避免电路的干扰对测量结果的影响。

附图说明

图1为一实施例中的蓄电池阻抗测试装置的结构示意图；

图2为另一实施例中的蓄电池阻抗测试装置的结构示意图；

图3为一实施例中的多频信号产生电路的原理示意图；

图4为一实施例中的恒流源的电路原理示意图；

图5为一实施例中的第一放大单元的电路原理示意图；

图6为一实施例中的第一低通滤波电路的原理示意图；

图7为一实施例中的模数转换单元的电路原理示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。

请参阅图1，为一实施例中的蓄电池阻抗测试装置的结构示意图。该蓄电池阻抗测试装置可以包括串联连接的被测蓄电池10和采样模块20，本申请的采样模块20可以为一采样电阻；被测蓄电池10可以为铅酸蓄电池；如图1所示，所述装置还可以包括多频信号产生电路30，恒流源40，第一放大单元50a，第二放大单元50b及处理单元60。其中，所述恒流源40分别与所述多频信号产生电路30和所述被测蓄电池10连接；所述多频信号产生电路30用于输出若干不同频率的参考电压信号；多频信号产生电路30可以采用一数字频率合成芯片，数字频率合成芯片也可以称为直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)，是一项关键的数字化技术。DDS芯片除了具有最基本的频率合成 (FrequencySynthesis)功能，还是一个灵活的多用途数字式信号调制与信号合成发生器，具有频率分辨率高、频率切换时间短、输出频率带宽大、可输出任意波形等特点。本申请中，由DDS芯片产生的参考电压信号可以为0.1Hz到 1000Hz不同频率点的标准正弦交流电压信号，该标准正弦交流电压信号的峰峰值可以为3V。

所述恒流源40用于产生与各所述参考电压信号同频率的恒定电流信号，本申请的恒流源40可以采用集成功率放大器，其具有输出失真度小，最高可输出 2A的电流的特点。为了降低输出阻抗，提高输入阻抗，并且减小信号的失真，在集成功率放大器的输出端还设置有电压跟随器。

由于蓄电池的内阻通常很低，在毫欧姆，因此本申请采用四端接线方法来采集被测蓄电池10和采样模块20两端的电压信号，也即是如图1所示，本申请的蓄电池阻抗测试装置在所述被测蓄电池10两端设置了所述第一放大单元 50a，用于采集不同频率下所述被测蓄电池10两端的第一电压信号、并对所述第一电压信号进行放大；在所述采样模块20两端设置了所述第二放大单元50b，用于采集不同频率下所述采样模块20两端的第二电压信号、并对所述第二电压信号进行放大；经由第一放大单元50a和第二放大单元50b放大后的信号为原信号的300倍左右，也就是说，第一放大单元50a和第二放大单元50b可以将毫伏级的电压信号放大为伏级电压信号。可以理解，第一放大单元50a和第二放大单元50b可以由相同的电路器件构成，也可以由完全不相同的电路元器件构成，本申请优选第一放大单元50a和第二放大单元50b由相同的电路器件构成。

所述处理单元60分别与所述第一放大单元50a和所述第二放大单元50b连接；用于根据所述第一电压信号与所述第二电压信号计算不同频率下所述被测蓄电池10的阻抗。处理单元60可以为基于ARM架构的处理器，其除了可以对第一电压信号与所述第二电压信号进行计算以获取不同频率下所述被测蓄电池 10的阻抗之外，还能根据蓄电池测试电流频率的要求，发出阻抗测试指令，该阻抗测试指令通过数据线传输至多频信号产生电路30(可辅助参阅图2)，该阻抗测试指令中主要包括信号频率和相位等信息，多频信号产生电路30根据该阻抗测试指令产生相应频率的参考电压信号。

在一个实施例中，为了保证信号质量，同时避免干扰和噪声。请参阅图2，本申请的蓄电池阻抗测试装置根据测量的频率选择范围，还进一步设置了第一低通滤波电路70a和第二低通滤波电路70b；其中，所述第一低通滤波电路70a 连接在所述第一放大单元50a和所述处理单元60之间；所述第二低通滤波电路 70b连接在所述第二放大单元50b和所述处理单元60之间。可以理解，第一低通滤波电路70a和第二低通滤波电路70b可以由相同的电路元器件构成，也可以由不同的电路元器件构成，本申请优选第一低通滤波电路70a和第二低通滤波电路70b采用相同的电路元器件构成；进一步地，第一低通滤波电路70a和第二低通滤波电路70b可以均为一阶低通滤波电路，该一阶低通滤波电路的截止频率可以为1kHz。

通常，经由滤波电路处理后的电压信号为模拟电压信号，为了便于后级电路的处理，请继续参阅图2，本申请的蓄电池阻抗测试装置还进一步设置了模数转换单元80，所述模数转换单元80的输入端分别与所述第一低通滤波电路70a 和所述第二低通滤波电路70b连接，所述模数转换单元80的输出端与所述处理单元60的输入端连接。也就是说，本申请的模数转换单元80主要将经第一低通滤波电路70a和所述第二低通滤波电路70b处理后的模拟电压信号(第一电压信号、第二电压信号)转换成数字电压信号，然后将数字电压信号送至处理单元60进行处理。可以理解，蓄电池阻抗的计算方法可以参照传统的特定频率下电池阻抗的测试方法进行计算。

进一步地，以下结合本申请蓄电池阻抗测试装置各部分的电路原理图进行说明。

请参阅图3，为一实施例中的多频信号产生电路的原理示意图。所述多频信号产生电路30可以包括数字频率合成器D14和运算放大器N5，所述数字频率合成器D14的输出端与所述运算放大器N5的反相输入端连接，所述运算放大器N5的同向输入端接地，所述运算放大器N5的输出端为所述多频信号产生电流的输出端。该数字频率合成器D14可以采用AD7008芯片，该运算放大器N5 可以采用OP07型运算放大器。

请参阅图4，为一实施例中的恒流源的电路原理示意图。所述恒流源包括一功率放大器U2，NPN型三极管Q1，PNP型三极管Q2；NPN型三极管Q1，PNP 型三极管Q2组成一功率对管；所述功率放大器U2采用LM1875型功率放大器；所述功率放大器U2的第一输入端-IN通过电阻R2接地，第二输入端+IN通过电阻R1与所述多频信号产生电路30的输出端Usi连接，主要用于接收多频信号产生电路30产生的参考电压信号；所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP 型三极管Q2的发射极连接，所述NPN型三极管Q1的集电极接外部电源的正极(+12V)，NPN型三极管Q1的基极与所述PNP型三极管Q2的基极连接；所述PNP型三极管Q2的集电极接外部电源的负极(-12V)；所述功率放大器U2 的输出端OUT接在所述NPN型三极管Q1的基极与所述PNP型三极管Q2的基极之间；所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP型三极管Q2的发射极作为所述恒流源30的输出端。其中，放大器U1为电压跟随器，电阻R0为限流电阻，其主要用于降低电路的损耗，一般采用大功率电阻，其阻值示例性地可以为0.5欧姆。

请参阅图5，为一实施例中的第一放大单元的电路原理示意图。所述第一放大单元包括隔直电容C3，隔直电容C4和运算放大器UA1；其中运算放大器UA1 可以采用AD620型仪表运算放大器；所述运算放大器UA1的第一输入端Vin- 通过所述隔直电容C3与所述被测蓄电池10的负极Ub-连接，所述运算放大器 UA1的第二输入端Vin+通过所述隔直电容C4与所述被测蓄电池10的正极Ub+ 连接，所述运算放大器UA1的输出端Vout为所述第一放大单元的输出端U0。其中，电阻RG为外接电阻，其主要影响第一放大单元的放大倍数K，放大倍数 K的计算公式可以为：

由于蓄电池本身有直流电压，本申请设置隔直电容C3、C4可以去除交流电压信号中的直流分量。可以理解，第二放大单元的具体电路示意图可以参照第一放大单元的电路原理示意图，本申请不再进一步赘述。

请参阅图6，为一实施例中的第一低通滤波电路的原理示意图。所述第一低通滤波电路包括电阻R9，电容C5，运算放大器U3；其中，运算放大器U3采用OP07型运算放大器；所述电阻R9的一端接所述第一放大单元的输出端Uin，另一端与所述运算放大器U3的同相输入端3连接；所述电容C5的一端接在所述电阻R9和所述运算放大器U3的同相输入端3之间，另一端接地；所述运算放大器U3的反相输入端2与所述运算放大器U3的输出端Uout连接。

请参阅图7，为一实施例中的模数转换单元的电路原理示意图。所述模数转换单元可以包括一模数转换芯片D12，所述模数转换芯片D12的型号为MAX197。其中，Vout11和Vout12分别对应被测蓄电池10和采样模块20经过前述处理后生成的电压信号，送入MAX197的模拟通道0和通道5中。

为了使本发明能够阐述得更加清楚，下面结合图3至图7进一步说明本发明蓄电池阻抗测试装置的工作原理。

本申请的DDS芯片，在基于ARM架构的处理单元60控制(阻抗测试指令) 下产生不同频率的标准正弦电压信号，经过恒流源40后输出同频率的恒定交流电流，为了抵消电流回路导线的阻抗对被测蓄电池10阻抗和采样电阻20测量造成的影响，利用四端测量法，通过直接接在被测蓄电池10的两个端子的电压测试夹取得被测蓄电池10的第一电压信号，并将该第一电压信号与电路中的采样电阻20的第二电压信号直接送入由隔直电容C3、C4和仪用放大器AD620组成的第一放大单元50a和第二放大单元50b中，经放大后信号变换到1V到2V 间的交流电压信号，然后分别送入由OP07构成的第一低通滤波电路70a、第二低通滤波电路70b，经处理后送入由MAX197构成的模数转换单元80，模数转换单元80根据已知的电流频率，在ARM处理单元60的控制下进行均匀周期采样，每周期采样点数为64点，转换结果由ARM处理单元60根据离散采集处理算法，变换成被测蓄电池在不同频率下的电压与电流值，经过ARM处理单元 60计算得出电池内阻并就地或上传至计算机中显示。

综上，本申请的蓄电池阻抗测试装置，通过在测量过程中产生精确的不同频率(可变频)参考电压信号和与参考电压信号同频率的恒定电流信号至被测蓄电池和采样模块，通过对流过被测蓄电池和采样模块两端的第一电压信号和第二电压信号进行采集并放大，并根据所述第一电压信号与所述第二电压信号计算不同频率下所述被测蓄电池的阻抗，可实现不同状态下蓄电池阻抗的精准测试，从而可以更加准确的反应蓄电池的健康状态；同时利用放大电路、滤波电路对采集到的电压信号进行放大、滤波，可以有效的避免电路的干扰对测量结果的影响。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种蓄电池阻抗测试装置，所述装置包括串联连接的被测蓄电池和采样模块；其特征在于，所述装置还包括多频信号产生电路，恒流源，第一放大单元，第二放大单元及处理单元；

2.根据权利要求1所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求2所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，所述第一低通滤波电路包括电阻R9，电容C5，运算放大器U3；所述电阻R9的一端接所述第一放大单元的输出端，另一端与所述运算放大器U3的同相输入端连接；所述电容C5的一端接在所述电阻R9和所述运算放大器U3的同相输入端之间，另一端接地；所述运算放大器U3的反相输入端与所述运算放大器U3的输出端连接。

4.根据权利要求2所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，还包括：

5.根据权利要求4所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，还包括：

6.根据权利要求5所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，所述模数转换单元包括一模数转换芯片D12，所述模数转换芯片D12的型号为MAX197。

7.根据权利要求1-6任一项所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，所述多频信号产生电路包括数字频率合成器D14和运算放大器N5，所述数字频率合成器D14的输出端与所述运算放大器N5的反相输入端连接，所述运算放大器N5的同向输入端接地，所述运算放大器N5的输出端为所述多频信号产生电流的输出端。

8.根据权利要求1-6任一项所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，所述第一放大单元包括隔直电容C3，隔直电容C4和运算放大器UA1；所述运算放大器UA1的第一输入端通过所述隔直电容C3与所述被测蓄电池的负极连接，所述运算放大器UA1的第二输入端通过所述隔直电容C4与所述被测蓄电池的正极连接，所述运算放大器UA1的输出端为所述第一放大单元的输出端。

9.根据权利要求1-6任一项所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，所述多频信号产生电路产生的频率范围在0.1Hz至1000Hz之间。

10.根据权利要求1-6任一项所述的蓄电池阻抗测试装置，其特征在于，所述恒流源包括一功率放大器U2，NPN型三极管Q1，PNP型三极管Q2；所述功率放大器U2的第一输入端通过电阻R2接地，第二输入端通过电阻R1与所述多频信号产生电路的输出端连接；所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP型三极管Q2的发射极连接，所述NPN型三极管Q1的集电极接外部电源的正极，NPN型三极管Q1的基极与所述PNP型三极管Q2的基极连接；所述PNP型三极管Q2的集电极接外部电源的负极；所述功率放大器U2的输出端接在所述NPN型三极管Q1的基极与所述PNP型三极管Q2的基极之间；所述NPN型三极管Q1的发射极与所述PNP型三极管Q2的发射极作为所述恒流源的输出端。