CN218298477U - 一种提高蓄电池内阻检测精度的电路 - Google Patents

一种提高蓄电池内阻检测精度的电路 Download PDF

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范亚东
周兴国
王艳军
刘昊
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Abstract

本实用新型涉及一种提高蓄电池内阻检测精度的电路，属于蓄电池电性能测试装置技术领域。电路包括电流检测单元、电压检测单元和微控单元MCU，电流检测单元和电压检测单元分别与蓄电池电连接，分别采集蓄电池的电流和电压，并将检测结果传递至微控单元MCU；微控单元MCU控制电流检测单元和电压检测单元工作，接收电流检测单元和电压检测单元传递的信号。本实用新型所涉及的提高蓄电池内阻检测精度的电路，蓄电池放电电流值可由微控单元MCU进行调节，当需要大电流放电时将该端口输出信号幅值增大，当需要小电流放电时将该端口输出信号幅值减小，以此实现根据蓄电池容量调整放电电流大小的目的，防止小容量电池进行大电流放电而造成损伤。

Description

一种提高蓄电池内阻检测精度的电路
技术领域
本实用新型属于蓄电池电性能测试装置技术领域，尤其涉及一种用来提高蓄电池内阻检测精度的电路。
背景技术
随着电子科学技术的发展，蓄电池作为供电系统的后备电源，在众多领域得到了广泛应用，其健康情况与稳定性直接影响这些领域关键系统的安全与稳定。
蓄电池内阻是可以反映出蓄电池电池性能的最直接有效的参数。蓄电池的内阻很小，一般为微欧或者毫欧级。目前，已被应用的测量蓄电池内阻方法有直流大电流放电法、交流注入法和直流小电流放电法。直流大电流放电法一般放电一次即可测得相对准确的内阻，但对蓄电池本身的损伤过大。交流注入法易受到电波干扰，重复测量时会影响其测量精度。直流小电流放电法可避免上述两种方法的缺陷，实现对蓄电池内阻的测量，但由于蓄电池内部器件的自身特性，且小电流放电时的电压变化小，一次放电过程中可能出现采集数据失真的情形，从而影响直流小电流放电法测量的内阻的真实性和精确性。
综上所述，目前测量蓄电池内阻的方式存在损伤蓄电池、测量精度低等技术问题有待解决。
实用新型内容
鉴于现有技术所存在的上述缺点和不足，本实用新型提出了一种提高蓄电池内阻检测精度的电路，在不损伤蓄电池的同时提高了蓄电池内阻的检测精度。
本实用新型的技术方案如下：
一种提高蓄电池内阻检测精度的电路，包括电流检测单元、电压检测单元和微控单元MCU，电流检测单元和电压检测单元分别与蓄电池电连接，分别采集蓄电池的电流和电压，并将检测结果传递至微控单元MCU；微控单元MCU控制电流检测单元和电压检测单元工作，接收电流检测单元和电压检测单元传递的信号。
进一步地，电流检测单元包括运算放大器和场效应晶体管；运算放大器的同相输入端与微控单元MCU的第二数模转换端口相连，运算放大器的两个电源引脚分别与电源和地相连，运算放大器的输出端与场效应晶体管的栅极相连；场效应晶体管的漏极与蓄电池的正极相连，源极分别与第六电阻、第七电阻和第九电阻的一端连接，第六电阻的另一端通过第七电容接地，第九电阻的另一端与地连接，第七电阻的另一端与运算放大器的反向输入端相连；运算放大器的反向输入端与微控单元MCU的第三数模转换端口相连，第六电阻和第七电容的连接点与微控单元MCU的第三模数转换端口相连。
进一步地，电压检测单元包括两路对称设置的RC耦合电路和与两路RC耦合电路相连的两路对称设置的一阶低通RC滤波电路；两路对称设置的RC耦合电路包括与蓄电池的负极相连的第一电容和与蓄电池正极相连的第四电容，第一电容的另一端与第二电阻相连，第四电容的另一端与第三电阻相连，第二电阻和第三电阻的另一端与微控单元MCU的第一数模转换端口相连；第一电容和第二电阻的连接点与相邻的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，第四电容和第三电阻的连接点与相邻的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，两路一阶低通RC滤波电路的输出端分别与微控单元MCU的第一模数转换端口和第二模数转换端口相连，两路一阶低通RC滤波电路共地。
进一步地，运算放大器的电源端通过并联的第五电容和第六电容接地。
进一步地，运算放大器的输出端通过第五电阻与场效应晶体管的栅极相连。
进一步地，场效应晶体管为N沟道型MOSFET。
进一步地，场效应晶体管的栅极通过第八电阻接地。
本实用新型的有益效果是：
1. 本实用新型所涉及的提高蓄电池内阻检测精度的电路，蓄电池放电电流值可由微控单元MCU的第二数模转换端口输出的信号幅值进行调节，当需要大电流放电时将该端口输出信号幅值增大，当需要小电流放电时将该端口输出信号幅值减小，以此实现根据蓄电池容量调整放电电流大小的目的，防止小容量电池进行大电流放电而造成损伤；
2. 本实用新型所涉及的提高蓄电池内阻检测精度的电路，电压检测单元的RC耦合电路滤除蓄电池直流分量进而提高微控单元MCU的采样精度，同时利用差分采样方式可消除共模干扰，以此提高蓄电池内阻的检测精度；
3. 本实用新型所涉及的提高蓄电池内阻检测精度的电路，电流检测单元在不测试内阻时，使微控单元MCU的第二数模转换端口输出的信号为一定幅值的恒定直流，可利用其进行蓄电池被动均衡，电路重复利用，节省硬件资源。
附图说明
图1为本实用新型的电路整体结构框图；
图2为本实用新型电流检测单元电气原理图；
图3为本实用新型电压检测单元电气原理图；
图4为本实用新型微控单元MCU使用引脚示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案进行具体描述。在本申请的描述中，需要理解的是，除非另有明确说明，术语“安装”、“安放”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应当做广义理解，可以根据其所处的具体技术方案被理解为固定连接或可拆卸连接等，本领域的普通技术人员可根据技术方案中所涉及的具体情况理解上述术语的具体含义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系。
如图1~4所示，一种提高蓄电池内阻检测精度的电路，包括待测量的电流检测单元、电压检测单元和微控单元MCU。其中，电流检测单元和电压检测单元分别与蓄电池电连接。电流检测单元负责检测蓄电池的放电电流，并将放电电流转换为电压，由微控单元MCU采样进行数据处理最终得到放电电流有效值Io。电压检测单元负责检测蓄电池的电压，并将检测结果传递至微控单元MCU，由微控单元MCU采样后进行数据处理得到蓄电池电压有效值Vo。微控单元MCU负责控制电流检测单元和电压检测单元工作，接收电流检测单元和电压检测单元传递的信号并进行数据处理，计算蓄电池内阻。
具体地，电流检测单元包括运算放大器U5和N沟道型MOSFET场效应晶体管M2，运算放大器U5的同相输入端与微控单元MCU的第二数模转换端口DAC1相连，运算放大器U5的两个电源引脚分别与电源VDD和接地端GND相连，运算放大器U5的输出端与场效应晶体管M2的栅极相连，以运算放大器U5输出端的电平高低来控制场效应晶体管M2的开通与关断，以此形成供蓄电池放电的通路。
场效应晶体管M2的漏极与蓄电池的正极相连接（即图2中B+点与蓄电池的正极相连），场效应晶体管M2的源极分别与第六电阻R26、第七电阻R27和第九电阻R30的一端连接，第六电阻R26的另一端通过第七电容C26与接地端GND连接，第九电阻R30的另一端与接地端GND连接，第七电阻R27的另一端与运算放大器U5的反向输入端相连。此处第七电阻R27与第九电阻R30形成了一个反馈回路，负责将蓄电池放电电流在第九电阻R30上所产生的电压反馈至运算放大器的反向输入端。
运算放大器U5的反向输入端与微控单元MCU的第三数模转换端口DAC2相连。通过此种设置，可以在不需要采集蓄电池电流时，由微控单元MCU通过第三数模转换端口DAC2发出高电平将运算放大器U5的反向输入端的电平提升，以强制关闭场效应晶体管M2。
第六电阻R26和第七电容C26的连接点与微控单元MCU的第三模数转换端口AIN2相连。场效应晶体管M2的栅极通过第八电阻R28与接地端GND相连。为了降低电源噪声、增加运算放大器工作的稳定性，运算放大器U5电源端VDD连接有并联的耦合电容（即图2中的第五电容C22和第六电容C23），电源VDD通过并联的第五电容C22和第六电容C23接地。运算放大器U5的输出端通过第五电阻R25与场效应晶体管M2的栅极相连。
电压检测单元包括两路对称设置的RC耦合电路和与两路RC耦合电路相连的两路对称设置的一阶低通RC滤波电路。其中，两路对称设置的RC耦合电路用来滤除蓄电池放电过程中的直流电压分量，只保留交流分量。两路对称设置的RC耦合电路包括与蓄电池的负极相连（即图3中的B-点与蓄电池的负极相连）的第一电容C1，与蓄电池的正极相连（即图3中的B+点与蓄电池的正极相连）的第四电容C10，第一电容C1的另一端与第二电阻R9的一端相连，第四电容C10的另一端与第三电阻R10的一端相连，第二电阻R9和第三电阻R10的另一端与微控单元MCU的第一数模转换端口DAC0相连。
两路一阶低通RC滤波电路包括图3中位于电压检测单元上半部分的由第一电阻R6和第二电容C8组成的一阶低通RC滤波电路以及图3中位于电路下半部分的由第四电阻R11和第三电容C9组成的一阶低通RC滤波电路，两路一阶低通RC滤波电路使用相同的接地端GND，即第二电容C8和第三电容C9都与接地端GND相连，第一电容C1和第二电阻R9的连接点与位于电压检测单元上半部分的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，第四电容C10和第三电阻R10的连接点与位于电路上半部分的一阶低通RC滤波电路的输入端相连。此处所说的两路一阶低通RC滤波电路的输入端，即图3中第一电阻R6和第四电阻R11的左端。因此，前述中第一电容C1和第二电阻R9的连接点与位于电压检测单元上半部分的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，第四电容C10和第三电阻R10的连接点与位于电路上半部分的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，即第一电容C1和第二电阻R9的连接点与第一电阻R6的左端相连，第四电容C10和第三电阻R10的连接点与第四电阻R11的左端相连。
两路一阶低通RC滤波电路负责将前端对称设置的两路RC耦合电路传递来的交流信号中的干扰滤除，位于电压检测单元上半部分的一阶低通RC滤波电路的输出端与微控单元MCU的第一模数转换端口AIN0相连，位于电压检测单元下半部分的一阶低通RC滤波电路的输出端与微控单元MCU的第二模数转换端口AIN1相连，由AIN0和AIN1的电压值即可得到蓄电池内阻压降Vo。测试内阻过程中，即放电过程中，AIN0的电压值减去AIN1的电压值既为蓄电池内阻压降。
当需要检测电阻时，通过电流检测单元的B+点接待测蓄电池正极，接地端GND接待测蓄电池负极，通过微控单元MCU的第二数模转换端口DAC1发出高电平至运算放大器U5的同相输入端，此时运放输出高电平，场效应晶体管M2导通，蓄电池放电电流Io由B+端经由场效应晶体管M2流过采样第九电阻R30产生压降U30，将U30信号通过由第七电阻R27和第九电阻R30构成的反馈电路反馈至运放放大器U5的反相输入端，由于运放的虚短虚断特性可得，此时U30的值即为第九电阻R30与放电电流 Io的乘积。运算放大器U5的反向输入端接入微控单元MCU的第三数模转换端口DAC2，在不需测量蓄电池内阻时，将第三数模转换端口DAC2的输出设置为高电平，即可强制关闭场效应晶体管M2以关闭蓄电池放电路径。为消除电流采样时由第九电阻R30的精度造成的放电电流Io误差，将U30经第六电阻R26和第七电容C26组成的一阶低通RC滤波后送入微控单元MCU的第三模数转换端口AIN2进行实时电流采样，即可得到高精度的放电电流值Io。蓄电池的电压Vo和放电电流值Io采集处理完毕后，即可通过Ro= Vo/Io得到蓄电池内阻。
在本技术方案中，通过设置电流检测单元和电压检测单元实现了对蓄电池放电电流和电压的检测，并由此得到蓄电池内阻，其中微控单元MCU起到的是控制电流检测单元和电压检测单元的工作及计算蓄电池内阻，所涉及的微控单元MCU中的控制算法属于本领域技术人员不必付出创造性劳动，依据本技术方案所提供的相关技术信息即可容易实现。
另外，本技术方案中的微控单元MCU可以采用现有常见的单片机，只要其功能能够满足本技术方案对数模转换、模数转换及数值运算的需求即可。为了更加便于理解本技术方案，本技术方案中所涉及的主要元器件可使用如下型号：
微控单元MCU选用C8051F007，运算放大器U5选用OPA333，场效应晶体管M2选用FQB30N06L。
下面举例说明该提高蓄电池内阻检测精度电路的工作过程。
测量小容量蓄电池时如下：
以12V电池65AH容量(6毫欧)为例。
首先把DAC2配置为高阻抗状态，DAC1输出电压为1V， MCU检测AIN0-AIN1值为12mv，AIN2检测电流值为2A，再使DAC1输出电压为0V，MCU检测AIN0-AIN1值为0mv。
电池内阻值为：6毫欧=(12mv-0mv)/2A。
测量大容量蓄电池时如下：
以12V电池200AH容量(3毫欧)为例。
首先把DAC2配置为高阻抗状态，DAC1输出电压为1V， MCU检测AIN0-AIN1值为6mv，AIN2检测电流值为2A，再使DAC1输出电压为0V，MCU检测AIN0-AIN1值为0mv。
电池内阻值为：6毫欧=(6mv-0mv)/2A。

Claims (7)

1.一种提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：包括电流检测单元、电压检测单元和微控单元MCU，所述电流检测单元和电压检测单元分别与蓄电池电连接，分别采集蓄电池的电流和电压，并将检测结果传递至微控单元MCU；所述微控单元MCU控制电流检测单元和电压检测单元工作，接收电流检测单元和电压检测单元传递的信号。
2.如权利要求1所述的提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：
所述电流检测单元包括运算放大器和场效应晶体管；
所述运算放大器的同相输入端与微控单元MCU的第二数模转换端口相连，运算放大器的两个电源引脚分别与电源和地相连，运算放大器的输出端与场效应晶体管的栅极相连；
所述场效应晶体管的漏极与蓄电池的正极相连，源极分别与第六电阻、第七电阻和第九电阻的一端连接，所述第六电阻的另一端通过第七电容接地，所述第九电阻的另一端与地连接，所述第七电阻的另一端与运算放大器的反向输入端相连；
所述运算放大器的反向输入端与微控单元MCU的第三数模转换端口相连，所述第六电阻和第七电容的连接点与微控单元MCU的第三模数转换端口相连。
3.如权利要求1所述的提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：
所述电压检测单元包括两路对称设置的RC耦合电路和与两路RC耦合电路相连的两路对称设置的一阶低通RC滤波电路；
两路对称设置的所述RC耦合电路包括与蓄电池的负极相连的第一电容和与蓄电池正极相连的第四电容，第一电容的另一端与第二电阻相连，第四电容的另一端与第三电阻相连，所述第二电阻和第三电阻的另一端与微控单元MCU的第一数模转换端口相连；
所述第一电容和第二电阻的连接点与相邻的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，所述第四电容和第三电阻的连接点与相邻的一阶低通RC滤波电路的输入端相连，两路所述一阶低通RC滤波电路的输出端分别与微控单元MCU的第一模数转换端口和第二模数转换端口相连，两路所述一阶低通RC滤波电路共地。
4.如权利要求2所述的提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：所述运算放大器的电源端通过并联的第五电容和第六电容接地。
5.如权利要求4所述的提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：所述运算放大器的输出端通过第五电阻与场效应晶体管的栅极相连。
6.如权利要求2所述的提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：所述场效应晶体管为N沟道型MOSFET。
7.如权利要求6所述的提高蓄电池内阻检测精度的电路，其特征在于：所述场效应晶体管的栅极通过第八电阻接地。
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