CN105277791A - 直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，在蓄电池带载的状态下进行两次小电流放电，两个放电回路分别由开关和两个不同阻值的精密电阻构成，此方法是在直流大电流放电法的基础上提出的，并在电压采集的过程中使用采样保持器先对两次放电采集到的电压进行采样保持，然后经差分放大得到所需要的两次放电的电压差，根据两次采样的电压差值计算蓄电池内阻。这种方法不仅克服了大电流放电法对蓄电池的损害和不宜在线监测的缺点，而且通过采样保持和差分放大得到两次放电电压值差也提高了数据采集的精度，减小了误差，从而得到蓄电池内阻的准确值，实现对蓄电池在线带载状态下的内阻的准确检测。

Description

直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法

技术领域

本发明涉及一种电池内阻检测装置，特别涉及一种直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法。

背景技术

蓄电池作为能源存储的主要载体在现代社会正在发挥越来越重要的作用，蓄电池作为动力电池或者后备电源被广泛应用于各个行业，大到军工行业小至日常生活的各个方面。不仅如此，蓄电池作为后备电源也被广泛应用于各个行业。无论是蓄电池的性能、容量状态或是充放电情况，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，对其工作状态进行监测评估。蓄电池的内阻作为反映蓄电池性能的重要参数，关于其值的准确测量特别是在线检测具有十分重要的意义。

目前蓄电池内阻检测常用的方法主要有密度法、交流注入法、直流放电法。密度法主要是通过检测蓄电池电解液的密度来估算蓄电池的内阻，常用于开口式铅酸蓄电池的内阻检测，不适合密封式铅酸蓄电池的内阻检测，该方法的适用范围较窄。交流注入法通过对蓄电池注入一个低频交流电流信号，电池的响应会产生一个电压和电流的相移，测得蓄电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而可计算出蓄电池的内阻。交流法由于不需要放电，不用处于静态或脱机状态，可以实现安全的在线检测管理。但是，这种方法由于测量量过多，导致干扰因素增多，且增加了系统的复杂性，影响测量精度，相对而言比较适合于单体电池的检测。直流内阻测试法的基本原理是给蓄电池串联直流负载，对电池进行瞬间大电流放电，通常为几十到上百安培，通过检测负载撤除前后的放电电流和蓄电池端电压的变化，由此可以求出蓄电池的内部阻抗。直流法的主要优点在于蓄电池在线时可以精确地检测蓄电池的内阻，测量结果不受充电器纹波和其他噪声的影响。此外，测量误差可控制在0.1％之内。此方法法也存在一定的缺陷，由于放电电流较大，小容量电池可能难以在几秒钟内承受较大的电流。同时，当蓄电池有大的电流通过时，内部化学反应复杂，会出现极化内阻，对蓄电池的损害也较大，而且反复的大电流放电不利于在线检测。

发明内容

本发明是针对蓄电池内阻检测常用的方法存在的问题，提出了一种直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，克服了大电流放电对蓄电池的损害和不宜在线监测的缺点。

本发明的技术方案为：一种直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，具体包括如下步骤：

1)建立两个放电回路，蓄电池、串联在蓄电池两端的开关S₁和采样精密电阻R₁构成的第一放电回路，蓄电池、串联在蓄电池两端的开关S₂和采样精密电阻R₂构成的放电回路，单片机输出控制信号控制两个开关S₁、S₂分段工作；

2)首先将两个放电回路开关S₁和S₂都断开，测得负载电阻两端电压U₀和电流,由欧姆定律可求得蓄电池在线状态下的负载电阻值R_L；

3)对蓄电池进行第一次小电流放电，开关S₁闭合，开关S₂断开，检测蓄电池两端电压U₁，再对蓄电池进行第二次小电流放电，开关S₂闭合，开关S₁断开，检测蓄电池两端电压U₂，采集后信号后送信号调理模块进行处理，信号调理模块处理后的U₁、U₂分别送入两个采样保持器进行保持，两个采样保持器输出再送入差分放大电路得到U₂-U₁的值；

4)将检测值送入内阻计算式得到内阻R_S

$R_S=\frac{R_1{R}_2{R}_L(U_2-U_1)}{R_L(U_1{R}_2-U_2{R}_1)-R_1{R}_2(U_2-U_1)}.$

所述采样保持电路选用LF398作为采样保持器。

所述步骤3)第一次小电流放电时，开关S₁闭合，开关S₂断开，第一采样保持器处于采样状态；然后进行小电流放电时，此时开关S₂闭合，开关S₁断开，第一采样保持器处于保持状态，第二采样保持器处于采样状态；然后两个采样保持器都处于保持状态，最后将采样保持器输出的数据U₁、U₂和差分放大电路输出的U₂-U₁送入带AD转换的单片机中计算得到蓄电池的内阻值。

本发明的有益效果在于：本发明直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，不仅克服了大电流放电法对蓄电池的损害和不宜在线监测的缺点，而且通过采样保持和差分放大得到两次放电电压值差也提高了数据采集的精度，减小了误差，从而得到蓄电池内阻的准确值，实现对蓄电池在线带载状态下的内阻的准确检测。

附图说明

图1为本发明直流小电流二次放电法等效电路图；

图2为本发明直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测装置框图；

图3为本发明采样保持部分电路图。

具体实施方式

图1为直流小电流二次放电法等效电路图，是蓄电池在直流放电状态下的电路模型，蓄电池、串联在蓄电池两端的开关S₁和精密电阻R₁构成的放电回路Ⅰ，蓄电池、串联在蓄电池两端的开关S₂和精密电阻R₂构成的放电回路Ⅱ。

框内为直流放电状态下蓄电池的等效模型，R_S即为蓄电池的等效内阻，R_L为在线状态下的等效负载，R₁、R₂为放电用精密电阻。

首先开关S₁、S₂都断开，可测得R_L两端电压U₀和流过R_L的电流I_S,由欧姆定律可得:

$R_L=\frac{U_0}{I_S}---\left(1\right)$

其次，对蓄电池进行第一次小电流放电，S₁闭合，S₂断开，设R′₁＝R₁//R_L(R₁、R_L并联值),R₁两端电压为U₁,由欧姆定律可得：

$U_1=\frac{R_1^{\′}E}{R_1^{\′}+R_S}---\left(2\right)$

然后，对蓄电池进行第二次放电，S₂闭合，S₁断开，设R'₂＝R₂//R_L(R₂、R_L并联值),R₂两端电压为U₂，由欧姆定律可得：

$U_2=\frac{R_2^{\′}E}{R_2^{\′}+R_S}---\left(3\right)$

由式(2)、(3)整理可得：

$R_S=\frac{R_1^{\′}{R}_2^{\′}(U_2-U_1)}{U_1{R}_2^{\′}-U_2{R}_1^{\′}}---\left(4\right)$

将R′₁、R'₂代入(4)式整理可得内阻R_S的最终表达式：

$R_S=\frac{R_1{R}_2{R}_L(U_2-U_1)}{R_L(U_1{R}_2-U_2{R}_1)-R_1{R}_2(U_2-U_1)}---\left(5\right)$

因此，由式可知首先求出蓄电池在线状态下的等效负载R_L，再由两次放电测得U₁、U₂、U₂-U₁，由此即可求得蓄电池的内阻R_S。

由内阻的表达式可知需测量两次放电回路中精密电阻两端的电压值U₁与U₂,以及两者的差值U₂-U₁，由于U₂与U₁的差值很小，为了减小测量误差，提高测量精度，本文先用采样保持器对U₂和U₁进行采样保持，然后由差分放大得到U₂-U₁的值。然后将数据送入自带AD转换的单片机中计算得到蓄电池的内阻值。

如图2所示直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测装置框图。蓄电池选用12V、38Ah阀控式铅酸蓄电池，图2中主控芯片选用C8051F350单片机，具有片内上电复位、VDD监视器、带24或16位单端/差分ADC、看门狗定时器和时钟振荡器，是真正能独立工作的片上系统。放电回路Ⅰ、Ⅱ中精密电阻R₁、R₂分别取20Ω和10Ω，两次放电电流均不超过2A，数据采集选用霍尔传感器实现电压采集。霍尔传感器采集U₀、U₁、U₂信号后送信号调理模块进行处理，由内阻R_S的表达式可知需测量U₂-U₁的值,由于U₂与U₁的差值很小，为了减小测量误差，本文先对U₂和U₁进行采样保持，采样保持后的U₁、U₂送入A/D转换模块进行模数转换送入单片机，同时采样保持后的U₁、U₂送入差分放大电路得到U₂-U₁的值，再送A/D转换模块进行模数转换，信号调理模块输出的U₀经过A/D转换模块输出数字信号到单片机，单片机进行内阻计算。

如图3所示采样保持部分电路图，采样保持器选用LF398，利用逻辑电平控制其工作状态。采样保持器具有两个稳定的工作状态。采样状态：在此期间它尽可能快的接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；保持状态：对接收到保持指令前一瞬间的模拟信号进行采样。采样保持器在保持阶段相当于“模拟信号存储器”。图3为采样保持部分电路图，第一次放电时开关S₁闭合，S₂断开，采样保持器L1处于采样状态；然后进行第二次放电，此时S₂闭合，S₁断开，采样保持器L1处于保持状态，L2处于采样状态；然后L1、L2都处于保持状态，最后将采集到的数据送给差分放大器得到计算蓄电组内阻所需的数据，由单片机完成内阻的计算。

Claims (3)

1.一种直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)建立两个放电回路，蓄电池、串联在蓄电池两端的开关S₁和采样精密电阻R₁构成的第一放电回路，蓄电池、串联在蓄电池两端的开关S₂和采样精密电阻R₂构成的放电回路，单片机输出控制信号控制两个开关S₁、S₂分段工作；

2)首先将两个放电回路开关S₁和S₂都断开，测得负载电阻两端电压U₀和电流,由欧姆定律可求得蓄电池在线状态下的负载电阻值R_L；

3)对蓄电池进行第一次小电流放电，开关S₁闭合，开关S₂断开，检测蓄电池两端电压U₁，再对蓄电池进行第二次小电流放电，开关S₂闭合，开关S₁断开，检测蓄电池两端电压U₂，采集后信号后送信号调理模块进行处理，信号调理模块处理后的U₁、U₂分别送入两个采样保持器进行保持，两个采样保持器输出再送入差分放大电路得到U₂-U₁的值；

4)将检测值送入内阻计算式得到内阻R_S

$R_S=\frac{R_1{R}_2{R}_L(U_2-U_1)}{R_L(U_1{R}_2-U_2{R}_1)-R_1{R}_2(U_2-U_1)}.$

2.根据权利要求1所述直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于，所述采样保持电路选用LF398作为采样保持器。

3.根据权利要求1或2所述直流小电流二次放电蓄电池内阻在线检测方法，其特征在于，所述步骤3)第一次小电流放电时，开关S₁闭合，开关S₂断开，第一采样保持器处于采样状态；然后进行小电流放电时，此时开关S₂闭合，开关S₁断开，第一采样保持器处于保持状态，第二采样保持器处于采样状态；然后两个采样保持器都处于保持状态，最后将采样保持器输出的数据U₁、U₂和差分放大电路输出的U₂-U₁送入带AD转换的单片机中计算得到蓄电池的内阻值。