CN102866300A

CN102866300A - 低频微电流恒流激励电路及蓄电池内阻测量电路

Info

Publication number: CN102866300A
Application number: CN2012103353773A
Authority: CN
Inventors: 童国道; 林杨; 沈启鹏; 钟玉盛; 朱丽平; 杨忠生
Original assignee: NANJING DELTO TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: NANJING DELTO TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2013-01-09

Abstract

本发明公开了一种低频微电流恒流激励电路及蓄电池内阻测量电路，包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器；一种蓄电池内阻测量电路，包括上述低频微电流激励电路、校准电阻R、蓄电池和两个电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两个电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量。本发明提供的低频微电流恒流激励电路结构简单、元器件少、体积小，形成的波形的稳定性高、失真度低、调节方便；提供的蓄电池内阻测量电路结构简单，且同时包含了蓄电池的欧姆电阻和小容环数据。

Description

低频微电流恒流激励电路及蓄电池内阻测量电路

技术领域

本发明涉及蓄电池内阻测量技术，尤其涉及一种低频微电流恒流激励电路及基于该激励电路的蓄电池内阻测量电路。

背景技术

蓄电池的内阻模型可以采用如图1所示的等效电路表示，其中L_p为正极电感，L_n为负极电感，R_t，p为正极离子迁移电阻，R_t，n为负极离子迁移电阻，C_d1,p为正极极板双层电容，C_d1,n为负极极板双层电容，Z_W,p为正极Warburg阻抗，Z_W,n为负极Warburg阻抗，R_HF为蓄电池的欧姆电阻；其中Warburg阻抗是由离子在电解液和多孔电极中扩散速度决定的，表示为一个电阻和一个电容串联组成的阻抗Z_W。

Z_W=λω^-1/2-jλω^-1/2

其中，λ为Warburg系数，表示反应物和生产物的扩散传质特性；ω为角频率。

蓄电池的内阻Z_cell包括欧姆电阻R_HF、正极Warburg阻抗Z_W,p和负极Warburg阻抗Z_W,n之和，表示为：

Z_cell=Z_W,p+Z_W,n+R_HF

可见，蓄电池的内阻是一个复阻抗，在其他条件不变的情况下，随着测试频率的变化而变化，如图2所示是典型的铅酸蓄电池阻抗图，根据图2可以分析内阻与测试频率之间的关系。

图中，R_HF为蓄电池的欧姆电阻，R₁为小容环半径，R₂大容环半径；由图可以看出，采用不同的测试频率测量，测量的内阻值反映的信息也不同：采用高于100Hz测量频率，测量结果仅能反映蓄电池的欧姆电阻R_HF；采用0.1~100Hz测量频率，测量结果不仅能反映蓄电池的欧姆电阻R_HF，还包括小容环数据；采用0.1Hz以下测量频率，测量结果不仅能反映蓄电池的欧姆电阻R_HF、小容环数据，还包括大容环数据。

通常情况下，我们所说的蓄电池内阻是指某一频率下的蓄电池内阻值，针对不同的蓄电池一般做如下选择：对于碱性蓄电池的内阻测量，比如镍镉（Ni-Cd）、镍氢（Ni-MH）和锂离子（Li-ion）电池，采用的测量频率为1000Hz；对于铅酸蓄电池的内阻测量，采用的测量频率为10~60Hz。

目前，对于铅酸蓄电池的内阻测量，通常采用交流阻抗法进行，交流阻抗法的电路接线图如图3所示，其基本思想是对蓄电池注入一个低频交流电流信号I_s，对瞬时电流ΔI和瞬时电压响应ΔU信号进行采集，通过计算获得蓄电池的内阻。具体对于电流：

ΔI=I_maxSin(ωt)=I_maxSin(2πft)

产生的电压响应为：

ΔV=V_maxSin(ωt+φ)=V_maxSin(2πft+φ)

计算得到蓄电池的阻抗为：

Z (f) = \frac{V_{\max}}{I_{\max}} e^{jφ}

由上式可以看出，计算得到的蓄电池阻抗为一个与频率有关的复阻抗，其模为|Z|=V_max/I_max，其中φ为电压和电流之间的相位差；使用这种交流阻抗法，必须要测量出电压峰值V_max和I_max电流峰值才能够得到复阻抗的模。

使用交流阻抗法的优点是：无需对蓄电池进行放电，也不需要蓄电池处于静态或脱机状态，能够在线对蓄电池的内阻进行监测，避免对蓄电池内阻进行监测时影响气体设备的运行安全；另外，仅对蓄电池施加的低频交流电流信号I_s，不会对蓄电池系统的性能造成不利影响。在实际使用中，由于馈入的低频交流电流信号I_s幅值有限、蓄电池的内阻在微欧或毫欧级，因此产生的电压响应的幅值也在微欧级，馈入电流和电压响应都极易受到干扰，尤其是在线测量时，由于充电机或负载的影响，流过蓄电池内阻的电路的稳定性直接影响到被测电压信号的稳定性；因此蓄电池的在线内阻测量需要解决充电机和负载的干扰问题，充电机和负载的干扰主要存在以下几个方面：

（1）测量线耦合的高频干扰信号；

（2）50Hz工频干扰；

（3）充电机低频纹波；

（4）充电或放电的电压缓变；

（5）负载的不规则变动。

综上所述，为了保证蓄电池内阻的测量具有一个较高的精度和较好的再现性、且能成功检测铅酸蓄电池内阻的一个重要前提是提供一个低频的、幅值非常小且稳定的交流恒流源。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种低频微电流恒流激励电路，解决在线测量中充电机和负载的干扰问题，其具有很好的抗干扰性；同时本案还提供一种基于上述电路的蓄电池内阻测量电路，精确获取含有蓄电池的欧姆电阻和小容环数据的蓄电池内阻，提高测量精度。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

低频微电流恒流激励电路，包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器；

所述信号发生器用于产生一个可调的低频激励信号，并通过A光耦隔离将该信号输送给激励驱动电路；

所述激励驱动电路用于向蓄电池馈入激励电流，采样电阻Rs串联在激励驱动电路和蓄电池形成的回路上，加在蓄电池上的激励电流值与采样电阻Rs两端的电压值形成确知的函数关系；

所述模拟反馈通道用于对采样电阻Rs两端的电压值进行采集、放大和整流，处理后的信号作为B光耦隔离的输入信号，采样电阻Rs两端的电压值变化经模拟反馈通道和B光耦隔处理后形成的输出信号为通断信号；

所述B光耦隔离的输出信号作为PWM控制器的输入信号，B光耦隔离输出的通断信号经PWM控制器处理后形成的输出信号为相应脉宽占空比的脉冲信号；

所述PWM控制器的输出信号经隔离变压器处理后作为电流控制电路的输入信号，PWM控制器输出的脉冲信号经隔离变压器处理后形成开关控制信号；

所述电流控制电路根据接收到的开关控制信号向激励驱动电路提供电流反馈信号。

上述电路在工作时，若采样电阻Rs两端的电压值发生极微小的波动时，通过模拟反馈通道处理后输出的模拟信号都会引起B光电耦合的通断；而B光电耦合的通断两种状态，决定PWM控制器输出不同脉宽占空比的脉冲信号；该脉冲信号通过隔离变压器进入强电区，在电流控制电路中产生开关控制信号，电流控制电路根据开关控制信号决定是否向激励驱动电路提供电流反馈信号，完成整个反馈回路，从而达到交流激励的恒流目的。

优选的，所述PWM控制器的输出频率高于10kHz，一般为几十K的高频信号，远远高于激励驱动电路的输出频率；针对整个电路中干扰问题，可以通过设计模拟和数字滤波来滤除，最大限度低降低测量干扰，保证测量精度。

一种基于上述低频微电流恒流激励电路的蓄电池内阻测量电路，包括低频微电流激励电路、校准电阻R和两种电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两种电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量。

记蓄电池内阻r两端响应电压的峰值为U_r，校准电阻R两端响应电压的峰值为U_R；设定低频微电流激励电路向蓄电池馈入的激励电流为：

i(t)=Isinωt

则蓄电池两端的电压响应为：

校准电阻R两端的电压响应为：

因为流过校准电阻R和蓄电池的瞬时交流电流是相等的，所以有如下等式成立：

对上述等式两边同时对时间t求导，可得：

推导后可得：

可以得到：

\frac{U_{R}}{R} = \frac{U_{r}}{r}

而：

\frac{U_{r}}{U_{R}} = \frac{{ΔU}_{r}}{Δ U_{R}}

因此，蓄电池的内阻r可以通过如下公式计算得到：

r = R \cdot \frac{{ΔU}_{r}}{{ΔU}_{R}} = R \cdot \frac{U_{r}}{U_{R}}

由上述推导出的蓄电池内阻r的计算公式可以看出，无需激励电流信息，蓄电池内阻r完全可以通过校准电阻R、可测量的校准电阻R两端的响应电压的峰值U_R和蓄电池内阻r两端的响应电压的峰值U_r计算出来；并且由此计算获得的蓄电池内阻r，对应复阻抗的模，包含了蓄电池的欧姆电阻和小容环数据。

有益效果：本发明提供的低频微电流恒流激励电路结构简单、元器件少、体积小，形成的波形的稳定性高、失真度低、调节方便；提供的蓄电池内阻测量电路结构简单，且同时包含了蓄电池的欧姆电阻和小容环数据。

附图说明

图1为蓄电池的内阻模型；

图2为铅酸蓄电池阻抗图；

图3为交流阻抗法的电路接线图；

图4为低频微电流恒流激励电路示意图；

图5为蓄电池内阻测量电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图4所示为一种低频微电流恒流激励电路，包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器，其中PWM控制器的输出频率在几十kHz；

一种基于上述低频微电流恒流激励电路的蓄电池内阻测量电路，包括低频微电流激励电路、校准电阻R、蓄电池和两种电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两种电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量，据此电路获得的蓄电池内阻r为：

r = R \cdot \frac{U_{r}}{U_{R}}

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.低频微电流恒流激励电路，其特征在于：包括强电区电路和弱电区电路，其中强电区电路包括激励驱动电路、采样电阻Rs、模拟反馈通道和电流控制电路，弱电区电路包括信号发生器和PWM控制器；

2.根据权利要求1所述的低频微电流恒流激励电路，其特征在于：所述PWM控制器的输出频率高于10kHz。

3.一种基于权利要求1的低频微电流恒流激励电路的蓄电池内阻测量电路，其特征在于：包括低频微电流激励电路、校准电阻R和两种电压测量端，所述低频微电流激励电路、校准电阻R和蓄电池内阻r相串联，两种电压测量端分别对校准电阻R和蓄电池内阻r两端的电压进行测量。