CN103529301A

CN103529301A - 车用蓄电池内阻在线测量方法以及车用蓄电池内阻在线测量装置

Info

Publication number: CN103529301A
Application number: CN201210226817.1A
Authority: CN
Inventors: 邓恒; 孟艳; 张崇生; 郝飞
Original assignee: SAIC Motor Corp Ltd
Current assignee: SAIC Motor Corp Ltd
Priority date: 2012-07-03
Filing date: 2012-07-03
Publication date: 2014-01-22

Abstract

本发明涉及车用蓄电池内阻在线测量方法以及车用蓄电池内阻在线测量装置。本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法包括：起动机起动并产生钥匙信号的起动步骤；测量起动机两端的电流和电压的测量步骤；以起动机的钥匙信号为起点选取规定时间内的测量区间，根据选取的该规定时间内测量到的电流和电压计算蓄电池的内阻的计算步骤。利用本发明，能够准确地在线测量车用蓄电池的内阻而且能够分离出欧姆电阻和极化电阻。

Description

车用蓄电池内阻在线测量方法以及车用蓄电池内阻在线测量装置

技术领域

本发明涉及蓄电池内阻的检测方法，特别是涉及在线测量蓄电池内阻并且能够分离测量出内阻中的欧姆电阻和极化电阻的测量方法以及测量装置。

背景技术

电池内阻是指电流通过电池所受到的阻力，电池内阻分为欧姆内阻和极化电阻。欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜的电阻以及各部分零件的接触电阻。极化电阻是指正极与负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻，是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。

电池内阻是电池寿命的反映，也是电池使用状态的全面反映。例如，在作为车用蓄电池常用的阀控密封铅酸蓄电池中，如果出现早期容量损失、板栅腐蚀和膨胀、水水干涸，硫酸盐化等都会导致电池内阻增大。因此，对电池内阻的测量可以得到电池的故障信息或失效信息。

由于通过测量电池内阻能够全面把握电池状态，因此，为了掌握电池的状态以及性能，很重要的手段就是对电池内阻进行测量。

电池内阻的测量主要有两种方法即直流法和交流法。

（1）直流法

所谓直流法就是在电压巡检的基础上加上直流放电测量蓄电池的内阻。其原理是将蓄电池处于静态（或脱机状态），通过外部负载进行大电流放电，同时测量蓄电池的电压降，通过蓄电池压降与放电电流的比值，得出蓄电池的内阻。

这种方法的主要缺陷之一是，由于必须在静态或脱机的状态下，才能实现直流法的测量，无法真正实现蓄电池的在线测量，这样就不可避免地会带来设备运行安全性隐患；如果是处于静态，如此大的电流是否对直流***产生影响还不得而知；在脱机状态下，如果测量时间较长，会造成蓄电池的脱机时间过长，这也会存在***的安全隐患。其二是，由于是大电流放电，有的甚至达到上百安培的放电，对蓄电池的损害很大。如果为检测蓄电池而频繁地进行放电，对蓄电池的损害将会积累，从而影响蓄电池的容量以及寿命。其三是，由于多出一个体积较大的负载存在，一方面会造成现场安装的复杂以及对设备布局的影响。另一方面会增加维护工作量，影响日常维护的便捷性。

（2）交流法

交流法是极化电阻测量的重要方法，通过对蓄电池施加一个交流低频的小电流信号，测量其反馈的电压值，通过电压与电流的比值，获得蓄电池的内阻。但由于交流法的测量存在如何排除充电器和环境噪声影响的问题，

交流法由于无需放电，蓄电池不用处于静态或脱机，可以实现完全的在线监测管理，避免了对设备运行安全性的影响。同时由于施加的低频小电流信号频率非常之低，施加的交流电流也非常小，故不会对蓄电池的性能造成影响，并且不需要负载箱。但是交流测量法的仪器测量干扰因素多，会增加***的复杂性，存在着容易受充电器纹波电流和其他噪声干扰的问题。

发明内容

本发明鉴于上述问题旨在提供一种以在线方式利用直流法来精确测量车用蓄电池内阻特别是欧姆电阻的车用蓄电池内阻在线测量方法以及车用蓄电池内阻在线测量装置。

本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

起动机起动并产生钥匙信号的起动步骤；

测量起动机两端的电流和电压的测量步骤；

以起动机的钥匙信号为起点选取规定时间内的测量区间，根据选取的该规定时间内测量到的电流和电压计算蓄电池的内阻的计算步骤。

优选的，所述计算步骤中的规定时间是指从起动机的钥匙信号为起点直到起动机的电压开始下降的期间内。

优选地，所述规定时间是指是指从起动机的钥匙信号为起点的20毫秒内的期间内。

优选地，所述测量步骤中包括：

测量起动机电压的电压测量子步骤；以及

测量起动机电流的电流测量子步骤。

优选地，所述电压测量子步骤利用ADC电压传感器实现。

优选地，所述电流测量子步骤利用霍尔电流传感器实现。

优选地，所述计算步骤包括：

选取2组测量点的测量点选取步骤；

根据选出的2组测量点的电流和电压计算蓄电池内阻的计算步骤。

优选地，所述2组测量点均为电压的峰值点。

本发明的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，包括：

电压测量模块，用于检测车辆起动机两端的电压；

电流测量模块，用于检测流过车辆起动机的电流；以及

信号处理模块，选取以起动机的钥匙信号为起点的规定时间内所述电压测量模块和所述电流测量模块测量到的电压和电流，根据选取的电压和电流计算蓄电池的内阻。

优选地，所述规定时间是指从起动机的钥匙信号为起点直到起动机的电压开始下降的期间内。

优选地，所述规定时间是指从起动机的钥匙信号为起点的20毫秒内的期间内。

优选地，所述电压测量模块利用ADC电压传感器实现。

优选地，所述电流测量子模块利用霍尔电流传感器实现。

优选地，所述信号处理模块在所述规定时间内选取2组测量点并且根据利用所述电流测量模块和所述电压测量模块测量到的该2组测量点的电流和电压来计算蓄电池内阻。

优选地，所述2组测量点均为电压的峰值点。

综上所述，用上述本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法以及车用蓄电池内阻在线测量方法装置，能够分别测量到蓄电池的欧姆电阻和总电阻，由此，能够区分欧姆电阻和极化电阻。在此基础上，能够根据欧姆电阻判断蓄电池内部是否存在物理损伤，或者，能够根据极化电阻判断蓄电池内部是否存在化学变质。因此，通过欧姆电阻和极化电阻的分离，能够更有效地测试、监控蓄电池的性能，能够在线且实时地掌握蓄电池内部状况。

附图说明

图1是表示电池在一定电荷状态下的放电过程的示意图。

图2是表示起动机的结构示意图。

图3是表示本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法的流程示意图。

图4是表示在选取步骤中选取2组测量点A1和A2的示意图。

图5是表示本发明的车用蓄电池内阻在线测量装置的结构框图。

图6是表示由霍尔器元件构成的霍尔电流传感器的结构的示意图。

具体实施方式

下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解。并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

首先，对于欧姆电阻和极化电阻进行简单说明。

欧姆电阻主要反映的是电池内部的物理连接是否良好，例如材料连接是否良好、电解液是否变质、隔膜是否被击穿、电池内部的铅条是否扭曲折叠弯曲。而极化电阻主要是反映电池内部化学材料是否良好。因此，根据欧姆电阻，能够单纯判断电池内部是否存在物理损伤，而根据极化电阻能够判断是否存在由其他化学物质变化引起。即，通过分离出欧姆电阻和极化电阻，就能够分辨出电池内部内阻变差是由物理原因引起的还是由化学原因引起的。

为了分离欧姆电阻和极化电阻，本发明的发明人进行了精锐研究，发现欧姆电阻对电的阻碍作用是在通电后立即显示出来的，而极化电阻对电的阻碍作用并不是立马显现出的，而是要经过几百毫秒～几秒的延迟，即，在通电后欧姆电阻和极化电阻的体现是有一个时间差的（时间效应）。以下，对该现象进行具体说明。

图1是表示电池在一定电荷状态下的放电过程的示意图。

如图1所示，当电池开始放电后，有一个瞬间的压降△U₁，这即是由电池的欧姆电阻引起的。欧姆电阻引起的电压变化一般维持很短的时间，一般是几十毫秒。在该压降△U₁之后，电压开始缓慢下降，这主要是因为电池进行电化学反应，此阶段的电压下降包括了极化作用产生的压降以及电池核电状态变化引起的电池开路电压下降。此阶段的电池内阻主要是由电化学反应中离子浓度造成的。

因此，在极化电阻还没有参与进来的时间段即图1中的瞬间的压降△U₁的短时间内测量到的内阻实际上就是欧姆电阻，而不包含极化电阻。因此，通过测量该时间段的内阻就能够直接得到欧姆电阻，根据欧姆电阻，就能够得知电池内部的物理连接是否良好。另外，如果得到欧姆电阻，通过进一步测量电池的总电阻，将总电阻减去欧姆电阻，那么就可以得到极化电阻。这样根据极化电阻，就能够得知电池的化学物质是否有问题。

基于上述发现，为了在极化电阻未加入的时间段内测量到欧姆电阻，抓住上述瞬间的压降△U₁的时间段是一个关键问题。对此，发明人通过研究起动机的起动过程，发现了在起动机的起动过程中能够找出类似上述瞬间压降△U₁的时间段。以下对此进行说明。

图2是表示起动机的结构示意图。

如图2所示，起动机主要包括点火启动开关1、继电器2、吸合弹簧3、绕组4、吸合电磁铁5、离合器6、小齿轮7、蓄电池8、电枢9。吸合电磁铁5由衔铁、绕组、触头等构成，吸合电磁铁5的功能是将起动机小齿轮7推入发动机飞轮齿圈，使它们啮合，并且触头接通起动机的主电路。

下面简单说明起动机的起动过程。当点火钥匙在启动位置时，接通启动电路，吸合电磁铁5工作。吸合电磁铁5的绕组吸引电磁铁衔铁并通过啮合杆推动起动机小齿轮7向齿圈方向轴向移动。在理想情况下，小齿轮7的齿直接***齿圈的齿槽中，起动机和发动机啮合。小齿轮7接近行程终点，吸合电磁铁5的衔铁通过活动触头将起动机的主电路接通，小齿轮7开始转动并带动发动机飞轮齿圈转动。

其中，利用吸合弹簧3吸合继电器2的情况下，整个电路通过吸合电磁铁5的触点接通。继电器2在吸合时，由于吸合力非常大，吸合弹簧3会产生抖动，根据这样的抖动，吸合电磁铁5的触点重复进行主电路的接通/断开。该抖动是发生在小齿轮7未***齿圈之前，每次抖动都是微秒级的，也就是说，主电路的每次接通都是在微秒级的时间范围内。由于是微秒级的电路接通，如上文对欧姆电机和极化电机的说明，在微秒级的接通中极化电阻还未来得及加入到其中，因此在上述接通中仅仅是欧姆电阻单独发挥作用，故在该期间内反映出的就仅仅是欧姆电阻。

根据这样的发现，为了测量欧姆电阻，本发明的发明人提出了在起动过程中继电器2吸合后吸合弹簧3抖动的时间段内采集电池内阻的电压电流值计算起内阻的测量方案。

以下对于利用上述构思的本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法进行说明。

如图3所示，本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法主要包括以下步骤：

（1）起动机根据钥匙信号起动的起动步骤Step100；

（2）测量起动机两端的电流和电压的测量步骤Step200；

（3）以该钥匙信号为起点，选取规定时间内测量到的电流和电压，由此计算蓄电池的内阻的计算步骤Step300；

在上述计算步骤Step300中，上述规定时间是根据上述对起动过程的研究所发现的继电器2吸合后的抖动期间，该抖动期间基本上是相当于从钥匙信号为起点直到起动机的电压开始下降的期间。同时，发明人经过多次试验发现，车辆起动的整个过程，即从***钥匙发出钥匙信号到完成起动的过程一般大概是几百毫秒，例如400毫秒左右，而该400毫秒的最前面的很小一部分就是继电器2吸合后的抖动时间。经过多次反复测量和试验，发明人得出在从该钥匙信号发出起的20毫秒的期间是测量欧姆电阻的最佳期间。

在测量步骤step200包括测量起动机电压的电压测量子步骤和测量起动机电流的电流测量子步骤。

在计算步骤Step300包括：以该钥匙信号为起点选取规定时间内的2组测量点的测量点选取步骤；根据选出的2组测量点的电流和电压计算蓄电池内阻的计算步骤。

作为2组测量点，最佳地是选择电压的峰值点，例如波峰、波谷。图4是表示在选取步骤中选取2组测量点A1和A2的示意图。如图4所示，假设作为第一测量点选择波峰点A1，在测量步骤测得该点A1的电压和电阻分别为U₁、I₁，作为第二测量点选择波谷点A2，在测量步骤测得该点A2的电压和电阻分别为U₂、I₂，利用下述公式（1）求得内阻R内。

Figure 2012102268171100002DEST_PATH_IMAGE001

如上面所说明的，由于在该20毫秒的抖动期间，极化电阻还未来得及加入，因此，这时测得内阻实际上就是欧姆电阻，即R_内＝R_欧姆。

作为一个实施方式，上述电压测量子步骤能够利用ADC电压传感器实现，上述电流测量子步骤能够利用霍尔器件实现。

下面，对于用ADC电压传感器和霍尔器件进行简单说明。

ADC是A/D转换器（Analog to Digital Converter）的简称，它能够实现模拟电压到数字量的转换。A/D转换器通常可以分成积分式和非积分式。积分式又可以分为：双积分式、三斜积分式、脉冲调宽（PWM）式、电压-频率（V-F）变换式等。非积分式又可以分为：斜波电压（线性斜波、阶梯斜波）式、比较式（逐次逼近式、零平衡式）等。在本发明中通过在ADC电压传感器的输入端接入起动机电压，由此，能够利用ADC电压传感器在以起动机的钥匙信号为起点选取规定时间内测量区间内测量起动机的两端的电压。

霍尔器元件一种磁传感器，用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。图6是表示由霍尔器元件构成的霍尔电流传感器的结构的示意图。如图6所示。用一环形导磁材料作成磁芯，套在被测电流流过的导线上，将导线中电流感生的磁场聚集起来，在磁芯上开一气隙，内置一个霍尔线性器件，器件通电后，便可由它的霍尔输出电压得到导线中流通的电流。

霍尔电流传感器的特点是可以实现电流的“无电位”检测。即测量电路不必接入被测电路即可实现电流检测，它们靠磁场进行耦合。因此，检测电路的输入、输出电路是完全电隔离的。检测过程中，被测电路的状态不受检测电路的影响，检测电路也不受被检电路的景响。

实际的霍尔电流传感器主要有两种构成形式，即直接测量式和零磁通式。

直接测量式霍尔电流传感器是指将图6中霍尔器件的输出（必要时可进行放大）送到经校准的显示器上，即可由霍尔输出电压的数值直接得出被测电流值。这种方式的优点是结构简单，测量结果的精度和线性度都较高。可测直流、交流和各种波形的电流。但它的测量范围、带宽等受到一定的限制。在这种应用中，霍尔器件是磁场检测器，它检测的是磁芯气隙中的磁感应强度，电流增大后，磁芯可能达到饱和，随着频率升高，磁芯中的涡流损耗、磁滞损耗等也会随之升高。这些都会对测量精度产生影响。当然，也可采取一些改进措施来降低这些影响，例如选择饱和磁感应强度高的磁芯材料、制成多层磁芯、采用多个霍尔器件来进行检测等等。

零磁通式（也称为磁平衡式或反馈补偿式）霍尔电流传感器是将霍尔器件的输出电压进行放大，再经电流放大后，让该电流通过补偿线圈，并令补偿线圈产生的磁场和被测电流产生的磁场方向相反。

下面对于实现上述测量方法的本发明的车用蓄电池内阻在线测量装置进行说明。

图5是表示本发明的车用蓄电池内阻在线测量方装置的结构框图。

如图5所示，本发明的车用蓄电池内阻在线测量方装置100包括电压测量模块101、电流测量模块102、信号处理模块103。电压测量模块101用于检测车辆起动机200两端的电压，电流测量模块102用于检测流过车辆起动机200的电流，信号处理模块103选取以起动机200的钥匙信号为起点的规定时间内所述电压测量模块101和所述电流测量模块102测量到的电压和电流，根据选取的电压和电流计算蓄电池的内阻。

电压测量模块101能够利用上述的ADC电压传感器实现。电流测量模块102能够利用上述的霍尔电流传感器实现。

信号处理模块103根据来自起动机200的钥匙信号，以该钥匙信号为起点选取规定时间，例如最好是20毫秒内的2组测量点，根据选出的2组测量点的电流和电压根据上述公式（1）求得内阻R_内。这里求得的R_内实际上就是欧姆电阻的大小。

利用上述本发明的车用蓄电池内阻在线测量方装置100除了能够得到欧姆电阻之外，还可以根据欧姆电阻和电池的总内阻来算出极化电阻。具体地，信号处理模块103在从钥匙信号为起点的上述规定时间之外，例如20毫秒子后的时间段内，另外选取2组测量点，根据选出的2组测量点的电流和电压，按照上述公式（1）类似地计算出电池总内阻R_总内。然后根据下述公式（2）计算出极化电阻R_极化。

R_极化＝R_总内－R_欧姆

这样，利用本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法以及装置，能够分别测量到蓄电池的欧姆电阻和总电阻，由此，能够区分欧姆电阻和极化电阻。在此基础上，能够根据欧姆电阻判断蓄电池内部是否存在物理损伤，或者，能够根据极化电阻判断蓄电池内部是否存在化学变质。因此，通过欧姆电阻和极化电阻的分离，能够更有效地测试、监控蓄电池的性能，能够在线且实时地掌握蓄电池内部状况。

以上例子主要说明了本发明的车用蓄电池内阻在线测量方法以及车用蓄电池内阻在线测量装置。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。

Claims

1.一种车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

起动机起动并产生钥匙信号的起动步骤；

测量起动机两端的电流和电压的测量步骤；以及

2.如权利要求1所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述计算步骤中的规定时间是指从起动机的钥匙信号为起点直到起动机的电压开始下降的期间内。

3.如权利要求2所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述规定时间是指是指从起动机的钥匙信号为起点的20毫秒内的期间内。

4.如权利要求3所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述测量步骤中包括：

测量起动机电压的电压测量子步骤；以及

测量起动机电流的电流测量子步骤。

5.如权利要求3所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述电压测量子步骤利用ADC电压传感器实现。

6.如权利要求5所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述电流测量子步骤利用霍尔电流传感器实现。

7.如权利要求5所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述计算步骤包括：

选取2组测量点的测量点选取步骤；

8.如权利要求5所述的车用蓄电池内阻在线测量方法，其特征在于，

所述2组测量点均为电压的峰值点。

9.一种车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，包括：

电压测量模块，用于检测车辆起动机两端的电压；

电流测量模块，用于检测流过车辆起动机的电流；以及

10.如权利要求9所述的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，

所述规定时间是指从起动机的钥匙信号为起点直到起动机的电压开始下降的期间内。

11.如权利要求10所述的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，

所述规定时间是指从起动机的钥匙信号为起点的20毫秒内的期间内。

12.如权利要求11所述的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，

所述电压测量模块利用ADC电压传感器实现。

13.如权利要求11所述的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，

所述电流测量子模块利用霍尔电流传感器实现。

14.如权利要求11所述的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，

所述信号处理模块在所述规定时间内选取2组测量点并且根据利用所述电流测量模块和所述电压测量模块测量到的该2组测量点的电流和电压来计算蓄电池内阻。

15.如权利要求14所述的车用蓄电池内阻在线测量装置，其特征在于，

所述2组测量点均为电压的峰值点。