一种电池内阻测试仪的制作方法

1.本发明涉及动力电池技术领域，尤其涉及一种电池内阻测试仪。


背景技术：

2.随着新能源电动车的普及，以及消费电子市场的不断扩大，可充电电池的应用越来越广泛。内阻为电池非常重要的一项指标，其直接反应了电池的电化学性质，与电池的容量、最大电流等有着密不可分的关系。在生产中，由于多串电池对电池单体一致性的要求，常常需要分选内阻值接近的单体并联，所以需要更加准确地测量单体电池的内阻。同时电池的老化在物理特性上，也往往表现为内阻增大，电池老化后，正负极极化电阻变大，外在表现为内阻值变大。故电池内阻的测量在实际工程应用中是非常重要的。
3.锂电池内阻主要由欧姆内阻和极化内阻两类组成，欧姆内阻与电池制造水平密切相关，在恒温下基本可以认为是恒定的，但是极化内阻可能会发生波动。同时由于锂电池两端电压与电流的关系是符合欧姆定律的。目前针对锂离子电池内阻的主要测试方法有密度法，直流放电法，交流注入法以及电化学阻抗谱法。
4.随着锂电池技术的不断发展，动力电池的内阻越来越低，业内对锂电池内阻的测试精度也提出了更高的要求。传统的电池内阻测试方法已无法满足当下电池内阻的高精度测试需求，而且还存在测试效率低的问题。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于提供一种测试精度高且测试效率高的电池内阻测试仪。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下所述的技术方案：
7.一种电池内阻测试仪，其包括有mcu控制模块、采样模块、fpga模块、dac、电压驱动电路和电阻模块，所述电阻模块包括有限流电阻和参考电阻，其中：所述电压驱动电路、限流电阻、参考电阻和被测电池串联构成测试回路；所述采样模块用于采集被测电池两端的电压，以及用于采集参考电阻两端的电压；所述fpga模块用于产生并输出数字信号，以及用于对所述采样模块采集的信号值进行数字滤波；所述dac用于将所述fpga模块输出的数字信号转化为模拟信号；所述电压驱动电路用于将所述dac输出的模拟信号放大为电压驱动信号，并实时跟随所述dac的输出调节所述电压驱动信号的输出电流；所述mcu控制模块用于控制所述fpga模块输出的数字信号的输出电压幅度和频率，以及用于根据经过滤波后的所述采样模块采集的信号值计算被测电池的内阻。
8.优选地，所述采样模块包括有一用于对参考电阻两端的电压信号进行放大处理的前级放大器、一用于对被测电池两端的电压信号进行放大处理并滤除噪声的锁相放大器、一用于对经过前级放大器、锁相放大器处理后输出的电压信号进行整流处理的整流电路、一用于对经过整流电路整流处理的参考电阻两端的电压信号及被测电池两端的电压信号进行二次放大处理的二级放大器和一与所述二级放大器的输出端连接、用于同步采样被测
电池两端的电压及参考电阻两端的电压的adc。
9.优选地，所述fpga模块包括有一用于产生并输出数字信号的数控震荡源和一用于对所述采样模块采集的信号值进行数字滤波的数字滤波器。
10.优选地，所述fpga模块包括有：所述数控震荡源为由fpga模块内部逻辑资源构建的dds信号发生器。
11.优选地，所述fpga模块还包括有相位补偿单元，所述相位补偿单元实时采集所述数控震荡源的电压过零点与被测电池的电压过零点的时间差，并根据所述时间差对经过前级放大器、锁相放大器处理后输出的电压信号进行相位补偿，使其与数控震荡源输出的信号相位一致。
12.优选地，所述数字滤波器采用fir低通滤波器。
13.优选地，所述电池内阻测试仪还包括有一设置有多个档位的档位控制模块，所述电阻模块包括有多条并联的支路，每条支路串联连接有对应阻值的限流电阻和参考电阻，每条支路与所述档位控制模块的一个档位相对应，所述档位控制模块在mcu控制模块的控制下选择其中一个档位，并将被选档位对应的一条支路接入所述测试回路。
14.优选地，所述档位控制模块可以通过开关管或者多档选择开关进行档位切换，以将对应支路的限流电阻和参考电阻接入所述测试回路。
15.本发明的有益技术效果在于：上述的电池内阻测试仪，其测试回路中连接有限流电阻和参考电阻，在测试回路具备限流电阻的基础上增加一个电阻作为参考电阻，与使用限流电阻作为参考值计算电池内阻的传统电池内阻测试仪相比，上述的电池内阻测试仪使用该参考电阻的阻值作为参考值计算被测电池的内阻，避免了因限流电阻误差较大而导致测量结果不够精确的情况发生，提高了电池内阻测试仪的测试精度。此外，本实施例中的电池内阻测试仪包括有fpga模块，fpga模块搭配mcu控制模块可实现优势互补，从而电池内阻测试仪的测试效率。
附图说明
16.图1为本发明的电池内阻测试仪的结构示意图。
具体实施方式
17.为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
18.如图1所示，在本发明一个实施例中，电池内阻测试仪包括有mcu控制模块10、采样模块20、fpga(field programmable gatearray，现场可编程逻辑门阵列)模块30、dac(digital toanalog converter，数模转换器)40、电压驱动电路50和电阻模块60，所述电阻模块60包括有限流电阻61和参考电阻62。
19.所述采样模块20用于采集被测电池80两端的电压，以及用于采集参考电阻62两端的电压；所述fpga模块30用于产生并输出数字信号，以及用于对所述采样模块20采集的信号值进行数字滤波；所述dac40用于将所述fpga模块20输出的数字信号转化为模拟信号；所述电压驱动电路50用于将所述dac40输出的模拟信号放大为电压驱动信号，并实时跟随所述dac40的输出调节所述电压驱动信号的输出电流；所述mcu控制模块10用于控制所述fpga
模块20输出的数字信号的输出电压幅度和频率，以及用于根据经过滤波后的所述采样模块20采集的信号值计算被测电池80的内阻。
20.所述电压驱动电路50、限流电阻61、参考电阻62和被测电池80串联构成测试回路。所述fpga模块30在mcu控制模块10的控制下产生并输出一数字信号，该数字信号作为激励源通过所述dac40、电压驱动电路50注入测试回路中，如此，整个测试回路中就会产生一正弦激励电流，参考电阻62两端就会产生一激励电压，被测电池80两端也会产生一激励电压。当测试回路中注入激励后，所述采样模块20采集参考电阻62两端及被测电池80两端的激励电压；fpga模块30与采样模块20电连接，fpga模块30接收采样模块20采集的信号并对采样模块20采集的信号进行数字滤波；mcu控制模块10与fpga模块30电连接，mcu控制模块10接收fpga模块30滤波后输出的信号，根据经过滤波后的所述采样模块20采集的信号值计算被测电池80的内阻。
21.本实施例中的电池内阻测试仪，其测试回路中连接有限流电阻和参考电阻，在测试回路具备限流电阻的基础上增加一个电阻作为参考电阻，与使用限流电阻作为参考值计算电池内阻的传统电池内阻测试仪相比，本实施例中的电池内阻测试仪使用该参考电阻的阻值作为参考值计算被测电池的内阻，避免了因限流电阻误差较大而导致测量结果不够精确的情况发生，提高了电池内阻测试仪的测试精度。此外，本实施例中的电池内阻测试仪包括有fpga模块，fpga模块搭配mcu控制模块10可实现优势互补，从而电池内阻测试仪的测试效率。
22.再参见图1，在本发明一些优选实施例中，所述采样模块20包括有前级放大器21、锁相放大器22、整流电路23、二级放大器24和adc(analog-to-digital converter，模拟数字转换器)25，所述fpga模块30包括有数控震荡源31、数字滤波器32和相位补偿单元33。
23.数控震荡源31用于生成并输出分辨率高、稳定性强的数字信号，其频率、相位以及幅度均可实时调整，精度高。优选地，所述数控震荡源31为由fpga模块内部逻辑资源构建的dds(direct digital synthesis，直接数字频率合成技术)信号发生器。该dds信号发生器可以产生1khz的数字信号(源信号)，高速dac40将数字信号转化为对应的模拟信号，供后级的电压驱动电路50使用。
24.电压驱动电路50设计为一个电压缓冲器，将dac40输出的模拟信号放大为电压驱动信号，作为驱动源注入到测试回路中，使参考电阻62两端和被测电池80两端产生激励电压。该电压缓冲器使用电压反馈技术，实时跟随dac40的输出调整电压驱动信号的输出电流。在实际测试中，对注入电流的大小也是有严格的要求，这里我们可以通过mcu控制模块10发送指令改变fpga模块30内部的dds信号发生器的乘法器系数，从而精确控制dds信号发生器输出电压的幅度，进而保证电压驱动信号的输出电流在合理的范围内。由于dds信号发生器输出的数字信号的频率、相位以及幅度实时可控，精度高，因此，可以精确地调节dac40输出的正弦信号幅度，通过调节dac40输出的正弦信号幅度而调节驱动电流，与传统调节驱动电流的方法相比，更加精确。
25.电压驱动电路50、限流电阻61、参考电阻62和被测电池80串联构成测试回路。线路中的驱动电流取决于线路中的限流电阻61，在相同的驱动电流下，流过参考电阻62的电流与被测电池80的电流是相同的，根据欧姆定律可以算出被测电池80的内阻。在实际测试中，为了获得更加精确的测试结果，参考电阻62往往使用高精度电阻，通常情况下其数量级与
被测电池80的内阻的数量级相匹配。例如，在被测电池80的内阻是微欧级的，参考电阻62对应地选用微欧级电阻。
26.前级放大器21，用于对参考电阻62两端的电压信号进行放大处理，增大信号幅度。由于被测电池80的内阻通常是毫欧和零点几毫欧，而参考电阻62选用数量级与被测电池80的内阻数量级匹配的电阻，因此，参考电阻62两端的电压的数值往往很小。在对微小信号的测量中，需要采用放大器对微小信号进行放大处理，以便后续的测量。
27.锁相放大器22，用于对被测电池80两端的电压信号进行放大处理并滤除噪声。由于被测电池80的内阻通常是毫欧和零点几毫欧，被测电池80两端的有效电压信号极易淹没在电路白噪声中，锁相放大器22对信号进行1khz鉴相放大，提取在1khz下对应信号的放大值，大幅度抑制无用噪声，从而提高检测灵敏度和信噪比。
28.整流电路23，用于对经过前级放大器21、锁相放大器22处理后输出的电压信号进行整流处理。在测试回路中注入的激励为交流激励，而实际测量时，adc 25对被测电池80两端的电压以及参考电阻62两端的电压进行直流采样，所以需要将交流信号转化为直流信号。
29.相位补偿单元33，用于对整流电路23的输入信号进行相位补偿，使其与数控震荡源31输出的信号相位一致，以提高整流信号的精度。在实际测量中，测试回路中电流的相位通常与电压的相位有偏移，本发明引入相位补偿技术，相位补偿单元33实时采集所述数控震荡源31的电压过零点与被测电池80的电压过零点的时间差，并根据所述时间差对经过前级放大器21、锁相放大器22处理后输出的电压信号进行相位补偿，使其与数控震荡源31输出的信号相位一致，利于保持整流过程的稳定，提高整流信号的精度。
30.二级放大器24，用于对经过整流电路23整流处理的参考电阻62两端的电压信号及被测电池80两端的电压信号进行二次放大处理。在对微小信号的测量中，单级放大器的增益往往不能过高，常使用多级放大器提高输入阻抗，增加放大倍数和信噪比。
31.adc25，其与所述二级放大器24的输出端连接，用于同步采样被测电池80两端的电压及参考电阻62两端的电压。所述adc25为同步采样adc，在同一时刻，测试回路中的电流是处处相同的，故使用同步采样adc将同一时刻的电压信号值采集出来，用作最后的计算。adc采样过程为过采样，通过使用过采样技术，提高了采样信号的精度，提高了测试的精度。
32.数字滤波器32，用于对所述采样模块20采集的信号值进行数字滤波。所述电池内阻测试仪通常需接入市电或开关电源进行工作，会引入额外的干扰，因此需要对信号进行滤波处理，衰减高频干扰，提高精度。本实施例采用fir(finite impulse response，有限脉冲响应)低通滤波器对信号进行滤波处理，采集1khz下信号，可以极大衰减高频干扰，而对于低频信号几乎没有影响，极大提高了测试精度。
33.数字滤波器32内置于fgpa模块30内，得益于fgpa的并行逻辑结构，此滤波过程与adc采样并行进行，在adc采样过程中，fpga内部例化多阶fir低通滤波器，由于fpga主频远远大于adc采样频率，在adc采样间隔内，同步处理fir低通滤波器的数据，实时获取滤波后的采样值，可以实现边采样，边滤波，极大提高了工作效率。
34.mcu控制模块10根据经过滤波后的所述采样模块20采集的信号值计算被测电池80的内阻。假设前级放大器21放大倍数为n1，锁相放大器22放大倍数为n2，参考电阻62阻值为r1，被测电池80内阻为r2，adc25采样得到的参考电阻62两端电压为v1，被测电池80两端电
压为v2，测试回路中的电流为i，根据欧姆定律，则有：
35.v1＝i*r1*n1
36.v2＝i*r2*n2
[0037][0038][0039][0040]
根据上述公式，即可计算出被测电池80的内阻r2。
[0041]
再参见图1，在本发明一些优选实施例中，所述电池内阻测试仪还包括有一设置有多个档位的档位控制模块70，所述电阻模块60包括有多条并联的支路，每条支路串联连接有对应阻值的限流电阻61和参考电阻62，每条支路与所述档位控制模块70的一个档位相对应，所述档位控制模块70在mcu控制模块10的控制下选择其中一个档位，并将被选档位对应的一条支路中的限流电阻61和参考电阻62接入所述测试回路。
[0042]
电阻模块60的每条支路中的参考电阻62的阻值与被测电池的内阻大小、档位相匹配，根据被测电池的内阻大小级别不同，对应匹配不同的参考电阻62。例如，档位控制模块70设为uω、mω、ω、100ω四挡，该四挡对应测量内阻为uω、mω、ω、100ω级别的电池，电阻模块60也设置四条支路，四条支路中的参考电阻62对应选用uω、mω、ω、100ω级别的电阻。同理，电阻模块60的每条支路中的限流电阻61也与档位控制模块70对应的档位、被测电池的内阻大小相匹配。
[0043]
档位控制模块70可以通过开关管或者多档选择开关进行档位切换，以将对应支路的限流电阻61和参考电阻62接入测试回路，通过接入不同大小的限流电阻61和参考电阻62来实现不同的测试量程，当被测电池内阻值比较大时，使用大阻值限流电阻，当被测电池内阻值比较小时，使用小阻值限流电阻，通过固定的比例关系和放大倍数来计数被测电池内阻值的大小。
[0044]
以上所述仅为本发明的优选实施例，而非对本发明做任何形式上的限制。本领域的技术人员可在上述实施例的基础上施以各种等同的更改和改进，凡在权利要求范围内所做的等同变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。