CN220231936U - 一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置，包括MCU、恒流源模块、电压采集模块和信号处理模块；所述恒流源模块分别与MCU和待测蓄电池连接，用于产生固定频率的交流电流信号并将其加载到蓄电池的正负极；所述电压采集模块与待测蓄电池连接，用于采集蓄电池的电压响应信号；所述信号处理模块分别与电压采集模块和MCU连接，用于对电压响应信号进行滤波、放大处理，并将处理后的电压响应信号传送给MCU；所述MCU用于计算待测蓄电池的内阻。与现有技术相比，本实用新型可以在蓄电池正常工作的情况下进行内阻监测，由于电流激励信号小，不会对蓄电池的性能和寿命造成任何影响，且测量精度高，装置体积小。

Description

一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置

技术领域

本实用新型属于蓄电池检测技术领域，尤其涉及一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置。

背景技术

目前，市场上的蓄电池内阻监测装置大都采用直流电流法和交流放电法。直流电流法是最早用于蓄电池内阻测量的方法，是在电池的正负极接入一特定负载，在较短时间内使用电流对要测量蓄电池进行放电，然后检测蓄电池的端电压差，利用欧姆定律计算电池内阻。在放电时，会产生暂态效应，而且蓄电池的内阻一般较小，因此不同时刻的采样值差别较大，对检测仪器的精确性要求高。若采用小电流放电，则因蓄电池内阻小，电压降小导致测量准确度不高，当蓄电池通大电流时，会出现极化电阻，损害蓄电池本身，不利于在线监测，无法实现不间断供电。交流放电法虽然有着线上线下同时检测的优势。但是蓄电池在实际运用时，通常放出的是直流电，交流放电法的原理和蓄电池的实际情况不符合，无法定量描述蓄电池在放电时内阻的实际情况，导致测得的数据和电池容量之间的关系相差较大；同时检测电路硬件设计比较复杂，参数过多，对硬件成本要求高，经济性差。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置，具体的技术方案如下：

一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置，包括MCU、恒流源模块、电压采集模块和信号处理模块；所述恒流源模块分别与MCU和待测蓄电池的正负极连接，用于根据接收到的来自于MCU的控制信号产生固定频率的交流电流信号，并将交流电流信号加载到待测蓄电池的正负极；所述电压采集模块与待测蓄电池的正负极连接，用于采集待测蓄电池的电压响应信号；所述信号处理模块分别与电压采集模块和MCU连接，用于对电压采集模块获取的电压响应信号进行滤波、放大处理，并将处理后的电压响应信号传送给MCU；所述MCU用于根据接收到的电压响应信号计算待测蓄电池的内阻；

所述电压采集模块包括基准电压模块、电阻R4和R5以及电容C7、C8和C9，所述基准电压模块与电阻R4和电容C7串联，电容C7的另一端用于连接待测蓄电池的一极，电容C9的一端接地，另一端与电阻R5和电容C8串联，电容C8的另一端用于连接待测蓄电池的另一极，电阻R5与电容C9连接的一端同时与基准电压模块相连接；电阻R4与电容C7的连接点、电阻R5与电容C8的连接点作为所述电压采集模块的两个输出端分别与信号处理模块的输入端连接。

进一步地，所述信号处理模块包括依次连接的滤波电路、交流放大电路和锁相放大电路；所述滤波电路采用二阶低通有源滤波电路，用于滤除电压响应信号中的噪声；所述交流放大电路采用集成的信号放大芯片；所述锁相放大电路包括运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C，所述运算放大器A和运算放大器B的同相输入端分别与交流放大电路的输出端连接，运算放大器A和运算放大器B的反相输入端分别与各自的输出端连接，运算放大器A和运算放大器B的输出端分别与运算放大器C的两个输入端连接，运算放大器C的输出端与MCU的采集信号输入端连接。

进一步地，所述锁相放大电路的输出端与MCU的采集信号输入端通过接收信号通道连接，所述接收信号通道包括光耦和三极管，所述光耦的一侧与锁相放大电路的输出端连接，光耦的另一侧与MCU的采集信号输入端连接，所述三极管串接于所述光耦的一侧。

进一步地，所述恒流源模块与MCU的控制信号输出端通过发送信号通道连接，所述发送信号通道包括光耦，所述光耦的一侧与恒流源模块的控制信号输入端连接，光耦的另一侧与MCU的控制信号输出端连接。

进一步地，所述恒流源模块包括波形发生器，所述波形发生器外接供电电源并与MCU的控制信号输出端连接，用于根据MCU的控制信号产生固定频率的交流电流信号，并将交流电流信号加载到待测蓄电池的正负极。

优选地，所述MCU采用型号为STM32G030的单片机芯片，并连接有电源电路和保护电路。

进一步地，所述MCU还配置有通讯模块，用于将采集到的电压响应信号或待测蓄电池的测量内阻发送到外部设备。

本实用新型的有益效果：

与现有技术相比，本实用新型基于恒定交流频率法检测蓄电池内阻，将一个恒定频率的电流激励信号注入蓄电池，蓄电池会相应地产生电压响应信号，通过测量产生的电压响应值来推算出电池的内阻。本实用新型可以在蓄电池正常工作的情况下进行内阻监测，由于电流激励信号小，不会损坏蓄电池的性能和寿命，且测量精度高，装置体积小。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。

图1是本实用新型一实施例提供的监测装置模块组成示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的恒流源模块与MCU的连接示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的恒流源模块电路示意图；

图4是本实用新型一实施例提供的电压采集模块与信号处理模块的连接示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的信号处理模块的电路示意图；

图6是本实用新型一实施例提供的信号隔离电路中接收信号通道的电路示意图；

图7是本实用新型一实施例提供的信号隔离电路中发送信号通道的电路示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提供的一种蓄电池内阻在线测量装置包括恒流源模块、电压采集模块、信号处理模块和MCU。蓄电池通过恒定交流电流输入回路与MCU连接，如图2所示，恒定交流电流输入回路包括电阻R1、电阻R2、电容C1和恒流源模块。恒流源模块通过测量线与蓄电池连接，电阻R1和电阻R2分别串联在恒流源模块与MCU之间的输出导线上，而电容C1则跨接在恒流源模块与MCU之间的输出导线之间。通过恒定交流电流输入回路，MCU将电流激励信号发送给蓄电池。

如图3所示，恒流源模块包括波形发生器、电容C2～C6和电阻R3，波形发生器外接供电电源，并通过MCLK引脚接收MCU发送的控制信号，从而根据控制信号产生固定频率的交流信号发送给蓄电池。

如图4所示，蓄电池的正负极分别通过检测线与电压采集模块的两端连接，电压采集模块的两端分别串接有电阻R6和电阻R7，电阻R6与信号处理模块连接，同时引出支路串接电容C10后接地，电阻R7与信号处理模块连接，同时引出支路串接电容C11后接地。电压采集模块主要由基准电压和若干电容、电阻构成，蓄电池的正极BAT+和负极BAT-的电压响应信号分别经电容C7、C8耦合后，再分别经过精密电阻R4和R5后得到准确的电压响应值并与基准电压进行比较，从而获取准确的电压信号。恒流源模块输出的特定频率电流输入到待测蓄电池上时，蓄电池端电压可以采集到相应的电压响应信号，但是此信号由于有强噪声背景而且非常微弱，所以通过信号处理模块进行降噪和放大以提取到有用且准确的信号。

如图5所示，信号处理模块包括依次连接的滤波电路、交流放大电路和锁相放大电路。滤波电路采用典型的二阶低通有源滤波电路，由一个运算放大器和若干电阻、电容组成，其中电容用于将截止频率高的信号滤除，从采集到的各种频率的波形中选出需要的波形。交流放大电路包括放大芯片和调节电阻R8，通过调节R8的阻值将采集到的电压响应信号放大，并且可以起到隔离作用，将共模电压基本消除。锁相放大电路包括三个运算放大器和若干电阻，电阻R10和R12以及两个运算放大器组成的对称增益电路根据输入信号要提取的信号波形进行翻转，能够消除噪声，提取微小电压响应信号。经过滤波和放大，采集信号通过信号隔离电路反馈到MCU。

如图6所示，信号隔离电路包括光耦、三极管和若干电阻，电阻R19、R20、R22与一个光耦组成接收信号通道，用于将采集到的信号传送到MCU。为使控制电路和信号采集电路互不干扰，如图7所示，利用电阻R21与另一个光耦组成发送信号通道，该信号发送通道串接与MCU与恒流源模块之间，用于传送MCU发出的控制信号。

在一些实施例中，MCU采用型号为STM32G030的单片机芯片，并连接有电源电路和保护电路，以使其具有稳定的工作状态。

在一些实施例中，MCU通过Modbus协议传输通信线与RS485总线连接，将采集到的电压响应信号或待测蓄电池的测量内阻发送到外部设备

本实用新型的工作原理是，将一个恒定频率的电流注入蓄电池，相应地，蓄电池会产生电压响应信号，通过测量产生的电压响应值来推算出蓄电池的内阻。假定输入蓄电池的交流电流信号为I，蓄电池两端产生的电压响应信号U就会与电流信号之间存在一个相位差，测得当前电流峰值频率下的相位与当前采集电压峰值频率下的相位差值由交流注入原理产生一个I＝I_max sinωt的电流，相应的电压响应大小为/>通过测量电压响应和相位差的值即可通过欧姆定律得到蓄电池的内阻。恒定交流频率法在蓄电池脱机状态或浮充状态均可使用，由于蓄电池在实际工况中的内阻很小，一般为毫欧级，而测量线的内阻就已经是相同级别了，为了保证测量的准确性，一般采用四线法。具体为：两根测量线连接蓄电池电极用于信号注入，两根检测线连接蓄电池电极用于电压检测。电压采集模块在测得电压响应信号后，将数据信息经过信号处理模块传送给MCU，有MCU进行相应的计算，然后通过RS485总线将所得的蓄电池内阻数据传输出去。

由于本实用新型是基于恒定交流频率法来测量蓄电池内阻，通过对蓄电池输入一个较小的交流信号来产生响应，不会对蓄电池正常的工作状态产生影响，测量结果也更加准确，更符合蓄电池在线监测的场景需求。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于恒定交流频率法的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，包括MCU、恒流源模块、电压采集模块和信号处理模块；所述恒流源模块分别与MCU和待测蓄电池的正负极连接，用于根据接收到的来自于MCU的控制信号产生固定频率的交流电流信号，并将交流电流信号加载到待测蓄电池的正负极；所述电压采集模块与待测蓄电池的正负极连接，用于采集待测蓄电池的电压响应信号；所述信号处理模块分别与电压采集模块和MCU连接，用于对电压采集模块获取的电压响应信号进行滤波、放大处理，并将处理后的电压响应信号传送给MCU；所述MCU用于根据接收到的电压响应信号计算待测蓄电池的内阻；

所述电压采集模块包括基准电压模块、电阻R4和R5以及电容C7、C8和C9，所述基准电压模块与电阻R4和电容C7串联，电容C7的另一端用于连接待测蓄电池的一极，电容C9的一端接地，另一端与电阻R5和电容C8串联，电容C8的另一端用于连接待测蓄电池的另一极，电阻R5与电容C9连接的一端同时与基准电压模块相连接；电阻R4与电容C7的连接点、电阻R5与电容C8的连接点作为所述电压采集模块的两个输出端分别与信号处理模块的输入端连接。

2.如权利要求1所述的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，所述信号处理模块包括依次连接的滤波电路、交流放大电路和锁相放大电路；所述滤波电路采用二阶低通有源滤波电路，用于滤除电压响应信号中的噪声；所述交流放大电路采用集成的信号放大芯片；所述锁相放大电路包括运算放大器A、运算放大器B和运算放大器C，所述运算放大器A和运算放大器B的同相输入端分别与交流放大电路的输出端连接，运算放大器A和运算放大器B的反相输入端分别与各自的输出端连接，运算放大器A和运算放大器B的输出端分别与运算放大器C的两个输入端连接，运算放大器C的输出端与MCU的采集信号输入端连接。

3.如权利要求2所述的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，所述锁相放大电路的输出端与MCU的采集信号输入端通过接收信号通道连接，所述接收信号通道包括光耦和三极管，所述光耦的一侧与锁相放大电路的输出端连接，光耦的另一侧与MCU的采集信号输入端连接，所述三极管串接于所述光耦的一侧。

4.如权利要求3所述的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，所述恒流源模块与MCU的控制信号输出端通过发送信号通道连接，所述发送信号通道包括光耦，所述光耦的一侧与恒流源模块的控制信号输入端连接，光耦的另一侧与MCU的控制信号输出端连接。

5.如权利要求4所述的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，所述恒流源模块包括波形发生器，所述波形发生器外接供电电源并与MCU的控制信号输出端连接，用于根据MCU的控制信号产生固定频率的交流电流信号，并将交流电流信号加载到待测蓄电池的正负极。

6.如权利要求1所述的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，所述MCU采用型号为STM32G030的单片机芯片，并连接有电源电路和保护电路。

7.如权利要求1所述的蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，所述MCU还配置有通讯模块，用于将采集到的电压响应信号或待测蓄电池的测量内阻发送到外部设备。