CN110058164B - 电池自供电的在线内阻测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电池自供电的在线内阻测试仪，包括运算放大器、模拟滤波器、A/D转换电路、移相器、计算单元、V/I转换器、D/A转换电路、余弦表以及加法计数器；其特征在于：加法计数器按照采样时钟频率产生步进为一的周期斜坡信号，作为余弦表的地址信号，输出到余弦表；同时在加法计数器输出的周期斜坡信号中抽取一路信号输出到移相器，得到幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为计算单元的本振信号；余弦表通过查找表方式产生数字正弦波信号，输出到D/A转换电路；D/A转换电路对收到的信号进行数模转换，输出到V/I转换器；V/I转换器用于将D/A转换电路输出的正弦波电压信号转换成电流注入电池电芯；可广泛适用于各类电池内阻的在线测试。

Description

电池自供电的在线内阻测试仪
技术领域
本发明涉及电池测试，具体涉及电池自供电的在线内阻测试仪。
背景技术
在正常情况下，蓄电池存储的电量越充足，内阻越小，反之则越大。另外，蓄电池长期使用后会出现劣化的现象，在电池充至相同的电压条件下，劣化的电池内阻值比正常的电池内阻值大，电池容量随之下降。通常采用SoH描述衡量电池劣化程度，它是测量容量和标称容量的比值，表征电池的老化程度。通过对比整组蓄电池的内阻值，可以找出电池组中出现劣化的电池。当内阻值比基准值增加20％以上，蓄电池性能会下降一个级，所以应对此单元电池采取纠正或更换措施。
电池内阻测试方式主要包含直流内阻测量法、交流内阻测量法两种测试方法。直流内阻测量法需在短时间内强制将很大的恒流直流电流通过电池，电池内部会发生极化现象，不适合在线测试。交流内阻测量法采用频率为1KHz的交变电流注入蓄电池，通过监测测量电池两端电压获取电池内阻值，适合在线测试。
目前市场上的内阻测试仪具有显示和控制等多种功能，可同时测试电压和电阻，测试精度较高，但体积和功耗较大。而电动汽车的锂电池采用多组电池串并联结构，需要对每个电池模组进行在线检测，因此对测试***的体积和功耗提出了极为苛刻的要求，测试仪器方案不能集成在电动汽车的电池组上，现阶段市场上没有成熟的方案。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提出了一种电池自供电的在线内阻测试仪。
本发明的技术方案是：一种电池自供电的在线内阻测试仪，包括运算放大器、模拟滤波器、A/D转换电路、移相器、计算单元、V/I转换器、D/A转换电路、余弦表以及加法计数器；其特征在于：
加法计数器按照采样时钟频率产生步进为一的周期斜坡信号，作为余弦表的地址信号，输出到余弦表；同时在加法计数器输出的周期斜坡信号中抽取一路信号输出到移相器，得到幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为计算单元的本振信号。
余弦表通过查找表方式产生数字正弦波信号，输出到D/A转换电路。
D/A转换电路对收到的信号进行数模转换，输出到V/I转换器。
V/I转换器的一端通过电容连接电池电芯的正极，V/I转换器的另一端连接电池电芯的负极，V/I转换器用于将D/A转换电路输出的正弦波电压信号转换成电流，向电池电芯注入一个恒定的交流电流信号。
运算放大器分别通过第三、第四电容连接电池电芯的正、负极；所述运算放大器采集第三电容和第四电容的交流电压信号进行放大后，输出到模拟滤波器。
模拟滤波器对收到的信号进行滤波处理后输出到A/D转换电路。
A/D转换电路对收到的信号进行模数转换，输出到计算单元。
计算单元利用幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为本振信号，对收到的信号进行乘法、积分和平方运算后，再进行加法运算和平方根运算，得到电池内阻值。最后得到的输出结果与内部各个单元的延迟无关。
根据本发明所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪的优选方案，在A/D转换电路与计算单元之间设置有数字滤波器，数字滤波器对A/D转换电路输出的信号进行滤波处理，输出到计算单元。
根据本发明所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪的优选方案，所述计算单元包括双通道计算电路、加法器和平方根电路；所述双通道计算电路分别包括2个乘法器、2个积分器和2个平方电路。
2个乘法器分别利用幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为本振信号，对收到的信号进行乘法运算，分别输出到对应的积分器。
积分器对收到的信号进行积分运算，分别输出到对应的平方电路。
平方电路对收到的信号进行平方运算，输出到加法器。
加法器对双通道信号进行加法运算，输出到平方根电路。
平方根电路对收到的信号进行平方根运算后，得出电池内阻值输出。
本发明计算单元采用两个乘法器和两个正交的本振信号，实现信号与本振信号的正交运算。由于A/D转换器、数字滤波器、积分器等电路具有固有的延迟，这将影响测试的精度。本方案采用双通道乘法器、积分器，采用幅度和频率相同、相位相差90°的两路正弦波数字振荡器作为乘法器本振信号，然后通过积分和平方根运算，最后得到的输出结果与内部各个单元的延迟无关。
根据本发明所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪的优选方案，所述运算放大器包括第一级双运放电路和第二级运放电路，第一级双运放电路包括对称设置的2个放大电路，第二级运放电路采用共模抑制结构。
根据本发明所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪的优选方案，V/I转换器包括放大器IC11、IC12以及输入、输出端设置的隔直电容C11、C12。
本发明所述一种电池自供电的在线内阻测试仪的有益效果是：本发明通过数字化设计减小了体积、降低了功耗，实现了对电池组每个电池内阻的分布式实时检测，可实时监控电池的内阻大小和变化情况，评估电池的老化情况，及时替换已经劣化的电池，满足了电池自供电要求，为芯片集成化提供了基础，比传统的在线内阻测试仪具有较大的优势，可广泛用于各类电池的测试，特别是电动汽车、电动摩托车电池的测试。
附图说明
图1为本发明所述的电池自供电的在线内阻测试仪的原理框图。
图2为V/I转换器12的电路原理图。
图3为运算放大器1的电路原理图。
具体实施方式
参见图1至图3，一种电池自供电的在线内阻测试仪，包括运算放大器1、模拟滤波器5、A/D转换电路2、计算单元4、V/I转换器12、D/A转换电路11、余弦表10以及加法计数器9；其中：
加法计数器9按照采样时钟7的信号频率产生步进为一的周期斜坡信号，作为余弦表的地址信号，输出到余弦表10，同时在加法计数器9输出的周期斜坡信号中抽取频率为1KHz的一路信号输出到移相器6，得到幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为计算单元4的本振信号。
余弦表10通过查找表方式产生数字正弦波信号，输出到D/A转换电路11。
D/A转换电路11对收到的信号进行数模转换，输出到V/I转换器12。
V/I转换器12的一端通过电容C1连接电池电芯的正极，V/I转换器12的另一端连接电池电芯的负极，V/I转换器(12)用于将D/A转换电路11输出的正弦波电压信号转换成电流，向电池电芯E注入一个恒定的交流电流信号。
运算放大器1分别通过第三、第四电容C3、C4连接电池电芯E的正、负极；所述运算放大器1采集第三电容C3和第四电容C4的交流电压信号进行放大后，输出到模拟滤波器5。
模拟滤波器5对收到的信号进行滤波处理后输出到A/D转换电路2。
A/D转换电路2对收到的信号进行模数转换，输出到计算单元4。
计算单元4利用幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为本振信号，对收到的信号进行乘法、积分和平方运算后，再进行加法运算和平方根运算，得到电池内阻值。计算单元4最后得到的输出结果与内部各个单元的延迟无关。
在可编程器件FPGA内置一张余弦表，为D/A提供数字正弦波信号，位数为14位，起始相位为0°。同时，同时在加法计数器9产生的周期斜坡信号中抽取频率为1KHz的两路正交信号为计算单元4提供本振信号，其中一路信号经过移相器6进行90°移向处理后，保证了计算单元4的两路本振输入端分别采用频率与输入信号相同，起始相位为0°和90°的方波信号。
在具体实施例中，在A/D转换电路2与计算单元4之间设置有数字滤波器3，数字滤波器3对A/D转换电路2输出的信号进行数字滤波处理后，再输出到计算单元4。
在具体实施例中，所述计算单元4包括双通道计算电路、加法器47和平方根电路48；所述双通道计算电路分别包括2个乘法器41、42、2个积分器43、44和2个平方电路45、46。
2个乘法器41、42分别利用幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为本振信号，对收到的信号进行乘法运算，分别输出到对应的积分器43、44。
积分器43、44对收到的信号进行积分运算，分别输出到对应的平方电路45、46。
平方电路45、46对收到的信号进行平方运算，输出到加法器47。
加法器47对平方电路45、46输出的信号进行加法运算，输出到平方根电路48；为了减小噪声引起的测试结果的波动，加法器一次可采集多个周期的数据并求取这段时间的平均值。为了简化除法运算，取累加和平均的次数为2N次，则累加的结果直接去掉低N位即为2N个周期的平均值。N的取值范围受计算的总时间限制，如果要求在0.2S以内完成计算，假定A/D转换电路2的采样频率是信号频率的k倍，信号的周期为1mS，取平均次数为27＝128次，计算时间为0.128S，采样期间总共收集了k x 27＝k x 128个数据，则计算结果的平均值＝累加结果/27＝累加结果右移7位。
平方根电路48对收到的信号进行平方根运算后，得出电池内阻值输出。
在具体实施例中，所述运算放大器1包括第一级双运放电路和第二级运放电路，第一级双运放电路包括对称设置的2个放大电路，包括IC21、IC22、R20～R25、R30、C21～C23；第二级运放电路采用共模抑制结构，包括IC23、R26～R29。
针对车用电池应用，电池组的正负端电压高达24V，电池的电极接触测试仪时，测试仪会承受瞬间的高压，并且电池在运行过程中会产生浪涌电流，因此运算放大器1输入端设置了限幅保护二极管D1、D2。
在电路中C21和C22需承受24V的高压，为了解决高压条件下电容容值变化的问题，需提高运放的输入阻抗。本发明的运算放大器1其输入端阻抗非常较高，高压电容C21和C22可以取较小的值，且具有较强的共模抑制，解决了电容偏压性能和共模噪声的问题。R21、R22、C23用于滤除高频噪声。
由于蓄电池内阻比连接的导线电阻小很多，为了避免导线电阻最内阻测试精度的影响，内阻测试仪采用开尔文四线法测试电池内阻。由内部V/I转换器产生1KHz交流恒流电流源信号，通过电容C1连接在电池的两端电极上，电流流过电池的两端产生微弱的电压信号，经过高增益的运算放大器1放大和模拟滤波器5进行滤波处理后送到A/D转换器2进行采样。高增益的运算放大器1采用仪表三运放结构，第一级双运放提供极高的输入阻抗，第二级运放提供极高的共模抑制。放大器电路中使用的运放及电阻采用完全对称结构，可减小运放静态条件下的直流失调，也可减小电池两端在正常运行状态条件下的共模噪声。
V/I转换器12包括放大器IC11、IC12以及输入、输出端设置的隔直电容C11、C12。V/I转换器12采用单电源供电方案，即利用电池自供电；电路可承受的电池电压取决于隔直电容的耐压大小。采用此方案，输入端的信号直流偏移电压，输出端的电池电压大小不会影响V/I转换器的工作状态，易于芯片集成。
本发明的工作原理为：
本发明通过加法计数器9为余弦表提供地址信号，余弦表10通过查找表方式产生数字正弦波信号，输出到D/A转换电路11；再通过V/I转换器12输出正弦波电流信号，电流信号经过蓄电池内阻产生电压信号，该电压信号经过高增益的运算放大器1、模拟滤波器5、A/D转换器2和数字滤波器3处理，同时，本发明利用加法计数器9和移相器6输出两路相位相差90度的周期方波信号作为两个正交乘法器的本振信号，两个正交乘法器对本振信号和采集的电压信号进行乘积运算后，通过积分器进行数个周期的积分运算,再经过平方运算，最后对两路数据进行求和，并进行平方根运算，得到电池内阻为：
Figure GDA0002840911250000081
其中，A为平方根运算的输出结果，K为电池内阻R与A线性关系的比例因子。由于输出通道和接收处理通道存在多种因素造成的增益误差，而电池内阻R和输出值A呈线性关系，因此只需采用已知阻值的标准电阻就可测得K值的大小，不需关心每段电路具体的增益及偏差值。
在测试内阻的过程中，需对K值进行校准，为了适应从1mΩ～50mΩ不同阻值大小，首先调整运算放大器1、模拟滤波器5、A/D转换电路2和数字滤波器3的总增益G值，保证A/D转换电路2输入端的信号幅度在最佳的区间范围内。
再将已知阻值R的高精度固定电阻连接到测试***中，通过测试得到输出幅度A值，然后通过公式一计算出K值，完成K值校准。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种电池自供电的在线内阻测试仪，包括运算放大器（1）、模拟滤波器（5）、A/D转换电路（2）、计算单元（4）、移相器（6）、V/I转换器（12）、D/A转换电路（11）、余弦表（10）以及加法计数器 （9）；其特征在于：
加法计数器 （9）按照采样时钟频率产生步进为一的周期斜坡信号，作为余弦表的地址信号，输出到余弦表（10）；同时在加法计数器 （9）输出的周期斜坡信号中抽取一路信号输出到移相器（6），得到幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为计算单元（4）的本振信号；
余弦表（10）通过查找表方式产生数字正弦波信号，输出到D/A转换电路（11）；
D/A转换电路（11）对收到的信号进行数模转换，输出到V/I转换器（12）；
V/I转换器（12）的一端通过电容连接电池电芯的正极，V/I转换器（12）的另一端连接电池电芯的负极，V/I转换器（12）用于将D/A转换电路（11）输出的正弦波电压信号转换成电流，向电池电芯注入一个恒定的交流电流信号；
运算放大器（1）分别通过第三、第四电容连接电池电芯的正、负极；所述运算放大器采集第三电容和第四电容的交流电压信号进行放大后，输出到模拟滤波器（5）；
模拟滤波器（5）对收到的信号进行滤波处理后输出到A/D转换电路（2）；
A/D转换电路（2）对收到的信号进行模数转换，输出到计算单元（4）；
计算单元（4）利用幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为本振信号，对收到的信号进行乘法、积分和平方运算后，再进行加法运算和平方根运算，得到电池内阻值。
2.根据权利要求1所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪，其特征在于：在A/D转换电路（2）与计算单元（4）之间设置有数字滤波器（3），数字滤波器（3）对A/D转换电路（2）输出的信号进行滤波处理，输出到计算单元。
3.根据权利要求1或2所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪，其特征在于：所述计算单元包括双通道计算电路、加法器（47）和平方根电路（48）；所述双通道计算电路分别包括2个乘法器（41、42）、2个积分器（43、44）和2个平方电路（45、46）；
2个乘法器（41、42）分别利用幅度和频率相同、相位相差90°的两路方波信号作为本振信号，对收到的信号进行乘法运算，分别输出到对应的积分器；
积分器（43、44）对收到的信号进行积分运算，分别输出到对应的平方电路；
平方电路（45、46）对收到的信号进行平方运算，输出到加法器（47）；
加法器（47）对双通道信号进行加法运算，输出到平方根电路（48）；
平方根电路（48）对收到的信号进行平方根运算后，得出电池内阻值输出。
4.根据权利要求3所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪，其特征在于：所述运算放大器（1）包括第一级双运放电路和第二级运放电路，第一级双运放电路包括对称设置的二个放大电路，第二级运放电路采用共模抑制结构。
5.根据权利要求3所述的一种电池自供电的在线内阻测试仪，其特征在于：V/I转换器（12）包括放大器一、二、以及输入、输出端设置的隔直电容一、二。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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