CN105759124A - 一种在线检测动力电池内阻的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种在线检测电池内阻的方法,通过检测充电过程中外部充电器提供的直流充电电流和该充电电流所引起的电池组中各单体电池端电压的变化量,计算出各单体电池的直流内阻，实现了对动力电池组中各单体电池直流内阻的在线快速检测，保障电池使用过程的安全。记录电池组反复充、放电使用过程中各单体电池内阻的变化过程，可为单体电池生产技术的改进提供重要的基础数据。

Description

一种在线检测动力电池内阻的方法

技术领域

本发明涉及一种在线检测动力电池内阻的方法，特别涉及在线检测由锂充电电池串联构成的电池组中各单体电池的内阻的方法。

背景技术

串联构成的电池组广泛应用于电动工具、电动汽车、风力发电、光伏发电的储能***。动力电池组由多个可充电的单体电池串联构成,可充电电池在存储和使用过程中充、放电性能会逐渐衰退,电池内阻逐渐增大，表现为荷电能力下降，充放电过程中因内阻增大导致电池内部发热，严重的发热会损伤电池内部的电化学结构，造成内部短路、起火、***等安全事故。

内阻是反应电池状态的重要标志之一。无论是电池即将失效、容量衰减或是电池内部的电化学结构出现异常，都可以从它的内阻变化中体现出来。通过测量电池内阻，对电池的健康状况进行判断，对性能衰退或失效的电池进行预警，可有效地避免电池过充、过放、过热等危及电池寿命和运行安全的情况发生。

中国专利CN101276949B公布了“一种用于混合动力汽车电池性能检测装置的检测方法”，利用混合动力汽车的整车控制器在汽车启动过程中和启动后各采集一组电池的输出电压和电流对，然后计算电池的内阻。该方法以混合动力汽车的发动机作为电池内阻测量过程中的放电负载，放电回路中的逆变器和发动机导致放电回路包含了容性负载、开关负载、电机感性负载，负载特性复杂且不稳定,开关负载产生的谐波影响电压采样的准确性，电容负载和感性负载导致放电回路中的电压与电流之间产生相位差，影响电压、电流采样在时间上的对应关系，电压、电流的测量精度难以得到保证。

中国专利CN102205800B，公开了“一种智能电动车电池管理***”，该技术方案中，采用交流压降内阻测量法进行电池内阻的测量，具体测量方法是：给电池施加（注入）一个固定频率和固定电流的小电流信号(目前一般使用1KHZ频率，50mA小电流)，并对电池端电压进行电压采样，整流、滤波、信号放大等一系列处理后，通过计算得到该电池的内阻值。

由于电动汽车配用的动力电池的内阻极小（单体电池的初始内阻一般小于2毫欧），对单体电池施加小电流信号（通常注入电流100mA），在单体电池上产生的电压响应微弱(约200微伏)，整流、滤波等一系列处理电路也会引入信号噪声，使用通常的测量电路，测量准确度难以得到保证。实现微弱电压信号的高精密度检测，必须使用极为复杂测量电路，导致实际应用成本大幅度提高。

当今动力电池，特别是电动汽车使用的动力电池，普遍配用充电器、充电桩、大型充电机，使用直流恒流充电的方式为动力电池组充电。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种在线检测电池内阻的方法,通过检测充电过程中外部充电机提供的直流充电电流和该充电电流所引起的电池组中各单体电池端电压的变化量,计算出各单体电池的直流内阻。

本发明的具体技术方案包括：一种在线检测动力电池内阻的方法,参见图1,包括动力电池组、充电器、电源模块PM、电源开关KX、管理模块GM、电流检测模块CS、充电开关KC、放电开关KD、充电连接器JC、放电连接器JD，通讯模块，还包括至少1个电压检测模块和至少1个隔离模块。

所述的动力电池组，参见图1，由1-10个电池模块串联构成，每个电池模块由6-12个可充电的单体电池串联构成，动力电池组的电源输出连接点包括正电极P+，负电极P-。

所述的充电器是为动力电池组充电的设备，充电器为动力电池组提供直流充电电流。

所述的电源模块PM由DC/DC隔离变换器电路和电源滤波电路组成。DC/DC变换器的一个输入端连接至动力电池组的正电极P+,另一个输入端经电流传感器连接至动力电池组的负电极P-。DC/DC变换器的输出端连接至管理模块GM，为管理模块GM及与管理模块GM相连接的其他模块提供工作电源，电源模块与置于外部的电源开关KX连接，电源开关KX控制DC/DC变换器输入电源的闭合和分断。

所述的管理模块GM包括微控制器MCU，参见图1，所述的微控制器MCU是可编程序的单片计算机集成电路,包括但不限于8051系列的微控制器和ARM系列的微控制器。管理模块GM与隔离模块、电流检测模块CS、充电开关KC、放电开关KD、通讯模块相连接。微控制器MCU执行预制的程序，控制充电开关KC和放电开关KD的导通和关断，并在控制充电开关KC导通的前、后瞬间和关断的前、后瞬间检测动力电池组的充电电流和动力电池组中各单体电池的端电压，再依据充电开关KC导通的前、后和关断的前、后检测到的充电电流的变化量和与该充电电流变化量相对应的各单体电池端电压的变化量，计算各单体电池的直流内阻。

所述的电流检测模块CS，包括电流传感器和A/D转换电路，电流检测模块CS接受管理模块GM中的微控制器MCU发送的命令，检测充电回路的电流，并将充电回路的电流值转换成数字量，发送给管理模块。所述的电流传感器可以是霍尔电流传感器、分流器或其他电流测量器件。

所述的每个电压检测模块包括至少一片电池电压采集集成电路芯片,在本发明的实施例中使用的是Maxim生产的MAX11068GUU集成电路芯片。每个电压检测模块与对应的电池模块中各单体电池的电极相连接，每个电压检测模块可以检测6-12个串联连接的单体电池的端电压。各电压检测模块接收管理模块GM中的微控制器MCU发送的控制命令，对所连接的电池模块中各个单体电池的电压的进行检测，并将检测数据发送到管理模块GM。

所述的隔离模块由双向数字隔离集成电路构成，参见图1，隔离模块与电压检测模块和管理模块GM连接，实现管理模块GM与电压检测模块间的数字信号的双向隔离传送。

所述的充电开关KC和放电开关KD可以是模拟开关、继电器开关、干簧管开关或其他具有接通和分断电路功能的电路器件。充电开关KC和放电开关KD分别连接在充电回路和放电回路中，充电开关KC和放电开关KD受管理模块GM中微控制器MCU的控制，分别接通或断开充电回路和放电回路。

所述的通讯模块包括串行通讯接口集成电路，通讯模块与管理模块GM中的微控制器MCU连接，实现管理模块GM与外部设备的数据通讯。

本发明提供了一种在线检测动力电池内阻的方法，在电池组每次充电开始时和充电过程中，所述的微控制器MCU执行预制的程序，控制充电开关KC和放电开关KD的导通和关断，并在充电开关KC导通和关断的前、后瞬间检测动力电池组的充电电流和动力电池组中各单体电池的端电压，并依据检测到的充电电流的变化量和与该充电电流变化量相对应的各单体电池端电压的变化量，计算各单体电池的直流内阻。

具体的检测步骤包括充电开始时检测各单体电池直流内阻的步骤和充电过程中检测各单体电池直流内阻的步骤，分别叙述如下：

1.充电开始时检测各单体电池直流内阻的步骤包括：

1.1断开充电开关KC和放电开关KD

1.2同时检测各单体电池的电压V1i和充电回路的电流Is1。(i是单体电池的编号)

1.3闭合充电开关KC

1.4延时2-100毫秒

1.5同时检测各单体电池的电压V2i和充电回路的电流Is2

1.6断开充电开关KC

1.7延时2-100毫秒

1.8同时检测各单体电池的电压V3i和充电回路的电流Is3

1.9使用充电开关KC闭合前、后测得的单体电池电压的差值V2i-V1i,计算各单体电池的直流内阻Rai：

Rai=(V2i-V1i)/(Is2-Is1)

1.10使用充电开关KC断开前、后测得的单体电池电压的差值V2i-V3i计算各单体电池的直流内阻Rbi：

Rbi=(V2i-V3i)/(Is2-Is3)

1.11管理模块将计算得到的各单体电池的直流内阻Rai、Rbi与各单体电池的初始内阻（动力电池组初次装配时各单体电池的直流内阻）相比较，计算各单体电池内阻的变化量，判断各单体电池的充放电性能的衰减程度

2.充电过程中检测各单体电池直流内阻的步骤包括：

2.1检测各单体电池的电压V4i和充电回路的电流Is4。(i是单体电池的编号)

2.2断开充电开关KC

2.3延时2-100毫秒

2.4同时检测各单体电池的电压V5i和充电回路的电流Is5

2.5闭合充电开关KC

2.6延时2-100毫秒

2.7同时检测各单体电池的电压V6i和充电回路的电流Is6

2.8使用充电开关KC断开前、后测得的单体电池电压差值V4i-V5i,计算各单体电池的直流内阻Rci:

Rci=(V4i-V5i)/(Is4-Is5)

2.9使用充电开关KC闭合前、后测得的单体电池电压差值V6i-V5i,计算各单体电池的直流内阻Rci:

Rci=(V6i-V5i)/(Is6-Is5)

2.10管理模块GM将计算得到的各单体电池的直流内阻Rci、Rdi与各单体电池的初始内阻（动力电池组初次装配时各单体电池的直流内阻）相比较，计算各单体电池内阻的变化量，判断各单体电池的充放电性能的衰减程度

2.11管理模块GM判定各单体电池的状态正常，则向充电开关KC发送命令，闭合充电开关KC，动力电池组充电正常进行；

2.12管理模块GM判定各单体电池的状态异常，则向充电开关KC和放电开关KD发送命令，断开充电开关KC和放电开关KD，禁止动力电池组充电和放电。并通过通讯模块向外部设备发送报警信息。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

附图说明

图1是本发明一种在线检测动力电池内阻的方法的检测电路结构图。

图2是本发明实施例中使用的充电开关KC和放电开关KD电路结构图。

具体实施方式

本实施例以16个单体锂电池串联构成的动力电池组为例,说明本发明的具体实施步骤。

所用的单体锂电池容量30Ah,允许充电电流小于30A,单体电池初始直流内阻2毫欧。配用的充电器为标称60V的直流恒流-恒压型充电器，恒流充电电流20A。

本实施例中将16个单体电池分为2个电池模块，参见图1，对应的设置2个电压检测模块和2个隔离模块，包括电压检测模块1和电压检测模块2，隔离模块1和隔离模块2。

电压检测模块1和电压检测模块2均使用MaximIntegrated公司生产的MAX11068电池检测集成电路芯片，隔离模块1和隔离模块2选用AnalogDevices公司生产的ADuM1250双向I2C数字隔离集成电路。

管理模块GM包括微控制器MCU和微控制器的基本***电路,微控制器MCU选用ATMEL公司生产的AT89S52微控制器，配置基本的***电路。微控制器MCU通过模拟I2C接口1与电压检测模块1之间建成隔离的I2C通讯通道，进行数据和命令的传送，微控制器通过模拟I2C接口2与电压检测模块2之间建成隔离的I2C通讯通道，进行数据和命令的传送。

通讯模块选用MaximIntegrated生产的MAX3232串口RS232接口集成电路，与管理模块GM中的微控制器MCU连接，实现管理模块GM与外部设备(显示设备、汽车中央控制***或控制计算机等)之间的实时数据通讯。

电源模块PM选用通用的DC-DC隔离电源，根据本实施例中动力电池组的输出电压范围，选用广州金升阳科技有限公司生产的输入电压36-72V、输出电压5V的DC-DC隔离电源，型号为WRF4805P-6W。外置的电源开关KX连接在DC-DC隔离电源的输入端。

电流检测模块CS包括电流传感器和A/D转换电路，电流传感器选用AllegroMicroSystems生产的ACS726LLFTR-40B霍尔线性电流传感器,其电流量程±40A；A/D转换电路选用MaximIntegrated生产的MAX1236模拟-数字转换集成电路。

充电开关KC，参见图2，包括隔离电源DC1、隔离光藕GD和大功率场效应管Q1、Q2。其中隔离电源DC1选用TexasInstruments公司生产的DCH010515S隔离DC/DC转换器，隔离光藕选用市售普通的TLP521-1光藕，大功率场效应管Q1和Q2选用InternationalRectifier生产的IRFB4110大功率场效应管,驱动电路中电阻R1的电阻值为200欧姆，电阻R2的电阻值为10欧姆，电阻R3的电阻值为10千欧姆。隔离光藕GD的输入端和隔离电源DC1的输入端经连接器J30连接至管理模块GM中的微控制器MCU，连接端子J31和J32连接至充电回路。隔离电源DC1为驱动电路提供隔离的驱动电源,隔离光藕GD接收管理模块GM中微控制器发来的命令，驱动大功率场效应管Q1和Q2的导通和关断。

放电开关KD使用与充电开关KC相同的隔离驱动电路和大功率场效应管开关，参见图2。

本实施检测电池内阻的策略设计为：

1.在每次充电开始时，检测一次动力电池组中各单体电池的内阻；

2.在充电过程中，各单体电池的电压平均值每升高0.1V,检测一次动力电池组中各单体电池的内阻。

连接外部充电器，闭合电源开关，电源模块上电工作，管理模块GM中微控制器MCU执行预制的程序，检测动力电池组中各单体电池内阻，微控制器MCU控制充电开关KC和放电开关KD、检测各单体电池电压和计算各单体电池内阻的具体程序步骤包括：

（1）在充电开始时检测动力电池组中各单体电池内阻：

1）断开充电开关KC和放电开关KD

2）检测各单体电池的电压V1i和充电回路的电流Is1。(i是单体电池的编号)

3）闭合充电开关KC

4）延时50毫秒

5）同时检测各单体电池的电压V2i和充电回路的电流Is2

6）断开充电开关KC

7）延时50毫秒

8）同时检测各单体电池的电压V3i和充电回路的电流Is3

9）使用充电开关KC闭合前、后测得的单体电池电压的差值V2i-V1i,计算各单体电池的直流内阻Rai：

Rai=(V2i-V1i)/(Is2-Is1)

10）使用充电开关KC断开前、后测得的单体电池电压的差值V2i-V3i计算各单体电池的直流内阻Rbi：

Rbi=(V2i-V3i)/(Is2-Is3)

（2）在充电过程中检测动力电池组中各单体电池内阻：

1）检测各单体电池的电压V4i和充电回路的电流Is4。(i是单体电池的编号)

2）断开充电开关KC

3）延时50毫秒

4）同时检测各单体电池的电压V5i和充电回路的电流Is5

5）闭合充电开关KC

6）延时50毫秒

7）同时检测各单体电池的电压V6i和充电回路的电流Is6

8）使用充电开关KC断开前、后测得的单体电池电压差值V4i-V5i,计算各单体电池的直流内阻Rci：

Rci=(V4i-V5i)/(Is4-Is5)

（9）使用充电开关KC闭合前、后测得的单体电池电压差值V6i-V5i,计算各单体电池的直流内阻Rci：

Rci=(V6i-V5i)/(Is6-Is5)

（10）微控制器MCU将计算得到的各单体电池的直流内阻Rci、Rdi与各单体电池的初始内阻（动力电池组初次装配时各单体电池的直流内阻）相比较，计算各单体电池内阻的变化量，判断各单体电池的充放电性能的衰减程度

（11）微控制器MCU判定各单体电池的状态正常，则向充电开关KC发送命令，闭合充电开关KC，动力电池组充电继续进行。

Claims (3)

1.一种在线检测动力电池内阻的方法，包括动力电池组、充电器、电源模块PM、电源开关KX、管理模块GM、电流检测模块CS、充电开关KC、放电开关KD、充电连接器JC、放电连接器JD，通讯模块，还包括至少1个电压检测模块和至少1个隔离模块。

2.根据权利要求1所述的一种在线检测动力电池内阻的方法，其特征在于所述的管理模块GM与隔离模块、电流检测模块CS、充电开关KC、放电开关KD、通讯模块相连接。

3.根据权利要求1所述的一种在线检测动力电池内阻的方法，其特征在于所述的管理模块GM包括微控制器MCU，微控制器MCU执行预制的程序，控制充电开关KC和放电开关KD的导通和关断，并在控制充电开关KC导通的前、后瞬间和关断的前、后瞬间检测动力电池组的充电电流和动力电池组中各单体电池的端电压，再依据充电开关KC导通的前、后和关断的前、后检测到的充电电流的变化量和与该充电电流变化量相对应的各单体电池端电压的变化量，计算各单体电池的直流内阻。