CN106771634A - 一种电池阻抗测量*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池测试领域，具体为一种电池阻抗测量***。本发明通过多频率傅立叶方法进行阻抗计算。克服了传统的交流阻抗测量方法只能一次测量一个频率下的值进行计算，而测量一个完整的阻抗谱需要花费几分钟或几十分钟甚至几个小时这一问题，实现了在几秒钟内将一个完整频率范围内的阻抗谱测出，具有速度快，效率高的有益效果，且算法稳健，硬件结构简单。

Description

一种电池阻抗测量***

技术领域

本发明涉及电池测试领域，具体为一种电池阻抗测量***。

背景技术

电池内阻是体现电池性能的重要参数之一，通过研究发现，电池荷电状态和健康状态与内阻有着密切的关系，因此采用内阻检测法测量电池的性能对电池进行维护是目前公认的电池维护的有效方案之一，电池的内阻一般很小，只有几毫欧甚，甚至几微欧，对如此小的阻值进行精确的测量是一个比较复杂的过程。

目前应用最广泛的方法是直流法和交流法，直流法是用一个给定电流瞬间通过电池，测量电池上的瞬间压降，然后计算出阻抗，该方法无法进行在线测试，同时会对电池产生一定的影响；交流法是在电池上施加一个交流信号，测出电池两端的电压以及相位差，由公式计算出电池的内阻，该方法可进行在线测试，对电池影响较小。

目前的电池阻抗测试方法多为交流法，然而该方法测试相对较慢，且硬件复杂。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种电池阻抗测量***，可快速测量出电池的阻抗，且算法稳健，硬件结构简单。

一种电池阻抗测量***，包括主控制器模块、加法器模块、标准电阻、电压采集与信号处理模块、隔直电容和各交流信号源。

所述标准电阻为金属膜电阻；待测电池为一次电池或二次电池。

所述电压采集与信号处理模块用于信号的采集、放大、抬升和滤波；电压采集与信号处理模块检测标准电阻两端的电压值和待测电池两端的电压值，然后传输给主控制器模块对其进行分析和处理，计算出待测电池的阻抗。

所述隔直电容主要用于隔离开***中的直流信号成份；

所述各交流信号源由n个交流信号源组成，各个交流信号源产生的恒定交流信号频率不同，n≥2，各交流信号源生成的信号经加法器模块进行加法运算后施加到待测电池上。

所述主控制器模块用于控制电压采集与信号处理模块，并且对电压采集与信号处理模块采集回的标准电阻两端的电压值和待测电池两端的电压值采用多频率傅立叶交流阻抗测量方法来计算出待测电池的阻抗和阻抗谱；以及用于控制各交流信号源产生的信号或组合信号。

上述电池阻抗测量***的工作流程如下：

主控制器模块控制各交流信号源产生频率(ω₁、ω₁……ω_n)幅度分别为(C₁、C₂……C_n)的恒定交流信号C₁COSω₁t、C₂COSω₂t……C_nCOSω_nt，经过加法器模块进行加法运算后得到复合信号(V_f＝C₁COSω₁t+C₂COSω₂t+...C_nCOSω_nt)然后施加到待测电池上。

电压采集与信号处理模块测出待测电池上的电压值(V_u＝A₁COSω₁t+A₂COSω₂t+...A_nCOSω_nt)以及标准电阻的电压值(V_i＝B₁COS(ω₁t+θ₁)+B₂COS(ω₂t+θ₂)+...B_nCOS(ω_nt+θ_n))，然后控制器模块通过多频率傅立叶方法进行阻抗计算。

所述多频率傅立叶方法具体如下：

电压采集与信号处理模块所采集的标准电阻电压为V_i，待测电池电压为V_u，有

V_u＝A₁COSω₁t+A₂COSω₂t+...A_nCOSω_nt，n≥1；

V_i＝B₁COS(ω₁t+θ₁)+B₂COS(ω₂t+θ₂)+...B_nCOS(ω_nt+θ_n)，n≥1；

I_t＝V_i/R；

常数A₁、A₂...A_n分别为各个交流信号源的幅值，ω₁、ω₂...ω_n分别为各个交流信号源的角频率，B₁、B₂...B_n为各个响应信号的幅值，θ₁、θ₂...θ_n为各个响应信号的滞后相位角。

通过傅立叶的复数表达式，将时域信号对频域信号进行绘图；对于余弦信号，其电压信号实部的表达式为：

电压信号虚部的表达式为：

电流信号实部的表达式为：

电流信号虚部的表达式为：

通过积分将时域量转换成相应的频域量；在对应整数倍的时间周期内进行积分，消除测量误差。

阻抗根据输出信号和输入信号的复数比进行计算，可得

Z_r(ω)和Z_j(ω)分别为阻抗对应的实部和虚部，计算出各个频率下电池的阻抗，最终得出待测电池的阻抗谱。

本发明通过多频率傅立叶方法进行阻抗计算。克服了传统的交流阻抗测量方法只能一次测量一个频率下的值进行计算，而测量一个完整的阻抗谱需要花费几分钟或几十分钟甚至几个小时这一问题，实现了在几秒钟内将一个完整频率范围内的阻抗谱测出，具有速度快，效率高的有益效果，且算法稳健，硬件结构简单。

综上所述，本发明可快速测量出电池的阻抗，且效率高、算法稳健、硬件结构简单。

附图说明

图1为本发明的***示意图；

附图标记：1-主控制器模块，2-加法器模块，3-标准电阻，4-待测电池，5-电压采集与信号处理模块，6-隔直电容，7-各交流信号源。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

如图1所示，一种电池阻抗测试***，包括主控制器模块1、加法器模块2、标准电阻3、待测电池4、电压采集与信号处理模块5、隔直电容6、各交流信号源7。

在本实施例中，主控制器模块1采用STM32最小***及***；加法器模块2采用运算放大器搭建的多信号加法器；标准电阻3选用功率为3W，精度为1‰的金属膜电阻；待测电池4采用2V 500Ah的铅蓄电池；隔直电容采用3300uF 25V的电解电容；各交流信号源7采用多路并行的信号发生器模块。

整个***的主要工作流程如下：

主控制器模块控制各交流信号源产生频率(ω₁、ω₁……ω_n)幅度分别为(C₁、C₂……C_n)的恒定交流信号C₁COSω₁t、C₂COSω₂t……C_nCOSω_nt，经过加法器模块进行加法运算后得到复合信号(V_f＝C₁COSω₁t+C₂COSω₂t+...C_nCOSω_nt)然后施加到待测电池上。

电压采样与信号处理模块测出待测电池上的电池电压为(V_u＝A₁COSω₁t+A₂COSω₂t+...A_nCOSω_nt)以及标准电阻两端的电压信号(V_i＝B₁COS(ω₁t+θ₁)+B₂COS(ω₂t+θ₂)+...B_nCOS(ω_nt+θ_n))，然后控制器模块通过多频率傅立叶交流阻抗测量方法进行阻抗计算。

电压采集与信号处理模块所采集的标准电阻的电压为V_i，所采集的待测电池的电压为V_u，

V_u＝A₁COSω₁t+A₂COSω₂t+...A_nCOSω_nt，n≥1；

V_i＝B₁COS(ω₁t+θ₁)+B₂COS(ω₂t+θ₂)+...B_nCOS(ω_nt+θ_n)，n≥1；

I_t＝V_i/R；

常数A₁、A₂...A_n分别为各个交流信号源的幅值，ω₁、ω₂...ω_n分别为各个交流信号源的角频率，B₁、B₂...B_n为各个响应信号的幅值，θ₁、θ₂...θ_n为各个响应信号的滞后相位角。

通过傅立叶的复数表达式，就可以将时域信号对频域信号进行绘图。

对于余弦信号，其电压信号的实部的表达式为：

电压信号虚部的表达式为:

电流信号实部的表达式为：

电流信号虚部的表达式为：

通过积分将时域量转换成相应的频域量，在对应整数倍的时间周期内进行积分，以消除测量误差。

阻抗根据输出信号和输入信号的复数比进行计算，可得

Z_r(ω)和Z_j(ω)分别为阻抗对应的实部和虚部。

综上所述，可以看出，本发明能够快速计算测出阻抗的实部Z_r(ω)和虚部Z_j(ω)，计算出各个频率下电池的阻抗，最终得出电池的阻抗谱。

Claims (4)

1.一种电池阻抗测量***，包括主控制器模块、加法器模块、标准电阻、电压采集与信号处理模块、隔直电容和各交流信号源，其特征在于：

所述标准电阻为金属膜电阻；

所述电压采集与信号处理模块用于信号的采集、放大、抬升和滤波；电压采集与信号处理模块检测标准电阻两端的电压值和待测电池两端的电压值，然后传输给主控制器模块对其进行分析和处理，计算出待测电池的阻抗；

所述隔直电容用于隔离开***中的直流信号成份；

所述各交流信号源由n个交流信号源组成，各个交流信号源产生的恒定交流信号频率不同，n≥2，各交流信号源生成的信号经加法器模块进行加法运算后施加到待测电池上；

所述主控制器模块用于控制电压采集与信号处理模块，并且对其采集回的标准电阻两端电压值和待测电池两端电压值采用多频率傅立叶交流阻抗测量方法来计算出待测电池的阻抗和阻抗谱；以及用于控制各交流信号源产生的信号或组合信号。

2.如权利要求1所述电池阻抗测量***，其特征在于：

所述多频率傅立叶交流阻抗测量方法具体为：

电压采集与信号处理模块所采集的标准电阻电压为V_i，待测电池电压为V_u，有

V_u＝A₁COSω₁t+A₂COSω₂t+...A_nCOSω_nt，n≥1；

V_i＝B₁COS(ω₁t+θ₁)+B₂COS(ω₂t+θ₂)+...B_nCOS(ω_nt+θ_n)，n≥1；

I_t＝V_i/R；

常数A₁、A₂...A_n分别为各个交流信号源的幅值，ω₁、ω₂...ω_n分别为各个交流信号源的角频率，B₁、B₂...B_n为各个响应信号的幅值，θ₁、θ₂...θ_n为各个响应信号的滞后相位角；

通过傅立叶的复数表达式，将时域信号对频域信号进行绘图，对于余弦信号，其电压信号实部的表达式为：

$V_r\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}{V}_{u}COS\left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)dt+\frac{1}{T_2}{\∫}_0^{T_2}{V}_{u}COS\left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)dt+\mathrm{...}\frac{1}{T_n}{\∫}_0^{Tn}{V}_{u}COS\left({\mathrm{\ω}}_{n}t\right)dt$

电压信号虚部的表达式为：

$V_j\left(\mathrm{\ω}\right)=-\[\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}{V}_{u}SIN\left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)dt+\frac{1}{T_2}{\∫}_0^{T_2}{V}_{u}SIN\left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)dt+...\frac{1}{T_n}{\∫}_0^{Tn}{V}_{u}SIN\left({\mathrm{\ω}}_{n}t\right)dt\]$

电流信号实部的表达式为：

$I_r\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}{I}_{t}COS\left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)dt+\frac{1}{T_2}{\∫}_0^{T_2}{I}_{t}COS\left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)dt+\mathrm{...}\frac{1}{T_n}{\∫}_0^{Tn}{I}_{t}COS\left({\mathrm{\ω}}_{n}t\right)dt$

电流信号虚部的表达式为：

$I_j\left(\mathrm{\ω}\right)=-\[\frac{1}{T_1}{\∫}_0^{T_1}{I}_{t}SIN\left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)dt+\frac{1}{T_2}{\∫}_0^{t_2}{I}_{t}SIN\left({\mathrm{\ω}}_{2}t\right)dt+...\frac{1}{T_n}{\∫}_0^{Tn}{I}_{t}SIN\left({\mathrm{\ω}}_{n}t\right)dt\]$

通过积分将时域量转换成相应的频域量，在对应整数倍的时间周期内进行积分，消除测量误差；

阻抗根据输出信号和输入信号的复数比进行计算，可得

$Z_r\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{Re}\left\{\frac{V_r+{\mathrm{jV}}_j}{I_r+{\mathrm{jI}}_j}\right\}$

$Z_j\left(\mathrm{\ω}\right)=\mathrm{Im}\left\{\frac{V_r+{\mathrm{jV}}_j}{I_r+{\mathrm{jI}}_j}\right\}$

Z_r(ω)和Z_j(ω)分别为阻抗对应的实部和虚部，计算出各个频率下电池的阻抗，最终得出待测电池的阻抗谱。

3.如权利要求1所述电池阻抗测量***，其特征在于：所述待测电池为一次电池或二次电池。

4.如权利要求1所述电池阻抗测量***的工作流程如下：

主控制器模块控制各交流信号源产生频率ω₁、ω₁……ω_n的幅度分别为C₁、C₂……C_n的恒定交流信号C₁COSω₁t、C₂COSω₂t……C_nCOSω_nt，经过加法器模块进行加法运算后得到复合信号V_f＝C₁COSω₁t+C₂COSω₂t+...C_nCOSω_nt然后施加到待测电池上；

电压采集与信号处理模块测出待测电池上的电压值V_u＝A₁COSω₁t+A₂COSω₂t+...A_nCOSω_nt以及标准电阻的电压值V_i＝B₁COS(ω₁t+θ₁)+B₂COS(ω₂t+θ₂)+...B_nCOS(ω_nt+θ_n)，然后控制器模块通过多频率傅立叶方法进行阻抗计算。