一种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电池性能在线测量技术领域，具体涉及一种基于阻尼振荡的电池容量 在线测量系统及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 蓄电池作为一种可重复利用的储能装置，在人们的生产生活中有着广泛应用，而 及时获得电池的容量状态对于保障设备的正常运转有重要意义。迄今为止，蓄电池电池容 量的检测方法主要有以下几种：
[0003] (1)核对放电法；即100%C的深度放电，虽然其有测试结果准确可靠的优点，缺点 也很突出，比如:①放电时间长，风险大，蓄电池组所存储的化学能全部以热能形式消耗掉， 既浪费了电能又费时费力，效率低;②电池组须脱离系统，需要备用电池组;③核对放电只 能测试整组电池容量，不能测试每一节单体电池容量，以容量最低的一节作为整组容量，而 其他部分电池由于放电深度不够，其劣化或落后程度还不能完全充分暴露出来;④蓄电池 全深度循环放电的次数是有限的，因为对蓄电池频繁进行深度放电测量有损电池容量与使 用寿命。
[0004] (2)检测电解液密度法;蓄电池的剩余容量与其电解液密度有一定的关系，因而可 通过测其电解液密度确定剩余容量。其缺点是在蓄电池使用后期，由于极板的腐蚀、断筋， 导致其内部电解液各物质密度跟电池制造时的配制比例发生较大差异，由此很难找到合适 的关系推算电池容量。
[0005] (3)恒电流放电法；即以恒定电流放电，记录电池端电压下降到规定值时的放电小 时数，恒定电流值与放电时间长度的乘积即为电池的保有容量。其缺点是作业时间长、工作 量大、需要备份电池，而且相关检测设备体积较大，难以在现场移动使用。
[0006] (4)放电电压分析法；蓄电池施加负载让其放电工作，测量电池端电压的变化，根 据变化率的大小推算剩余电量。其缺点是电池端电压随剩余容量变化较小，且是非线性变 化的，因此难以保证测量精度。
[0007] (5)测量内阻法;研究表明，蓄电池容量与内阻有着紧密联系，能准确反映电池当 前的荷电状态。因而通过测量蓄电池的内阻来推算其容量的方法现在也被广泛应用。其实 现手段主要有以下三种：
[0008] ①直流放电法；即对蓄电池进行瞬间大电流放电，然后测量电池两端的瞬间压降。 其缺点是电池组必须脱离系统，无法在线测量，而且瞬间大电流放电会对电池组造成较大 冲击，影响电池使用。
[0009] ②交流阻抗法；以小幅值的正弦波电流或者电压信号作为激励源，注入蓄电池，通 过测定其响应信号来推算电池内阻。优点是可在线测量且对电池性能基本无影响。缺点是 产生稳定激励信号以及准确获取电路响应信号的装置都比较复杂，实际操作上较为困难。[0010]③衰减振荡法；即利用RLC电路的衰减振荡波形的特征来求出电池的内阻值。其具 有与交流阻抗法相同的优点，且实现装置比交流阻抗法简单。专利号为ZL201110440878.3 的中国专利即基于此提出了利用RLC电路衰减振荡波形非接触测量热敏电阻的方法，类似 方法也可以用于测量电池内阻。
[0011]由此可见，无论是研究蓄电池放电时的端电压特性，还是研究蓄电池的内部作用 机理，都无法准确地测出蓄电池的剩余容量。深度放电虽然精度较高，但由于其消耗高，工 作量大等固有缺点也只适用于作为电池组以几年一度的测试，不能用于日常监测。通过测 量蓄电池的内阻来测量其容量的方法是一种优点相对突出和可行的方法，但在如何实现上 目前还存在较大的改进空间。
【发明内容】
[0012] 针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于阻尼振荡的电池容 量在线测量系统及其测量方法，能够简化测量方法，且过程中没有对蓄电池进行大电流充 放电，对电池无损耗。
[0013] -种基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统，包括：
[0014]振荡波发生电路，其利用开关管控制待测电池为电感充电，进而使电容与该电感 以及待测电池的等效内阻组成RLC振荡回路；
[0015] 差分放大电路，其采集RLC振荡回路所产生的阻尼振荡信号，并对该信号进行调 理、整形及放大处理后输出检测电压信号；
[0016] 控制处理器，其通过对所述的检测电压信号进行A/D采样并根据采样信号计算出 待测电池的等效内阻，进而根据关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数模型确定出 待测电池的剩余容量，同时为振荡波发生电路提供控制信号；
[0017] 驱动电路，用于对所述的控制信号进行功率放大后驱动振荡波发生电路中的开关 管。
[0018] 所述的控制处理器连接有显示模块，其用于显示待测电池的剩余容量。
[0019] 所述的控制处理器连接有串口通讯模块，控制处理器通过串口通讯模块将所述的 检测电压信号传输给上位机。
[0020] 所述的振荡波发生电路包括有开关管、电感和电容;其中，电感的一端与待测电池 的正极相连，电感的另一端与开关管的一端和电容的一端相连，开关管的另一端与电容的 另一端和待测电池的负极相连并接地，电容两端产生所述的阻尼振荡信号，开关管的控制 极接收驱动电路提供功率放大的控制信号。
[0021] 所述的控制处理器采用DSP及其自带的A/D转换模块。
[0022] 所述的上位机事先通过对待测型号的电池充分完整放电一次，采用现有精确的离 线测量方式检测整个放电过程中电池剩余容量的变化曲线，同时根据控制处理器提供的检 测电压信号计算出整个放电过程中该电池等效内阻的变化曲线，从而拟合出关于电池等效 内阻-剩余容量的对照表或函数模型并通过串口通讯模块下发给控制处理器。
[0023 ]上述电池容量在线测量系统的测量方法，包括如下步骤：
[0024] (1)对待测型号的电池充分完整放电一次，并采用现有精确的离线测量方式检测 整个放电过程中电池剩余容量的变化曲线；
[0025] (2)利用控制处理器生成控制信号驱动振荡波发生电路中的开关管先导通后截 止:导通时段内由待测型号的电池对驱动振荡波发生电路中的电感进行充电；截止时段内 由电感进行放电，从而使得所述的RLC振荡回路产生阻尼振荡信号；
[0026] (3)利用差分放大电路采集所述的阻尼振荡信号，并对该信号进行调理、整形及放 大处理后输出检测电压信号给控制处理器，由控制处理器将该检测电压信号经A/D采样后 得到的采样信号通过串口通讯模块传输给上位机；
[0027] (4)上位机根据控制处理器提供的检测电压信号计算出整个放电过程中电池的等 效内阻变化曲线，并结合电池剩余容量的变化曲线拟合出关于电池等效内阻-剩余容量的 对照表或函数模型并通过串口通讯模块下发给控制处理器；
[0028] (5)根据步骤(2)利用振荡波发生电路对同型号的待测电池进行检测，得到对应的 阻尼振荡信号，并根据步骤(3)利用差分放大电路对该阻尼振荡信号进行同样处理后输出 检测电压信号给控制处理器，利用控制处理器对该检测电压信号进行A/D采样并根据采样 信号计算出待测电池的等效内阻，进而根据关于电池等效内阻-剩余容量的对照表或函数 模型确定出待测电池的剩余容量。
[0029]本发明的有益技术效果在于：
[0030] (1)本发明电池容量测量系统中RLC振荡回路的振荡电阻为待测电池内阻，此电阻 相对较小，因此在振荡时电压信号的衰减率比较低，可以产生较多个周期衰减的正弦信号， 这也更加有利于采样芯片采集更多的离散数据点，同时也相应减小了装置的体积。
[0031] (2)本发明只需要一次完整充放电，就可以满足在线测量的要求，快速简单的测定 不同频率、不同工作电流下的蓄电池内阻，从而准确计算电池容量，具有极大的应用价值。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明电池容量在线测量系统的结构示意图。
[0033]图2为本发明电池容量在线测量系统的电路原理示意图。
[0034] 图3为电源模块的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0035] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明测量系统及 其测量方法进行详细说明。
[0036]如图1和图2所示，本发明基于阻尼振荡的电池容量在线测量系统包括:控制处理 器、驱动电路102、振荡波发生电路101、差分放大电路103、电源模块、显示模块和串口通信 模块;其中：
[0037]控制处理器包括DSP和A/D转换模块，其用于系统的整体控制，即用于控制电池测 试时的启动、停止、实时电压信号的处理、电池容量的计算、控制输出显示或者与上位机通 信。本实施方式中控制处理器即TMS320F28035最小系统板，由电源模块输出的一路+5V为其 供电，包括内置A/D采样芯片的DSP芯片TMS320F28035-只、晶振电路、JTAG接口、板载5V转 3.3V降压电路。
[0038]振荡波发生电路101与驱动电路102、差分放大电路103相连，用于产生阻尼振荡信 号。图2中，当开关管导通时，电容被短路，待测电池在充电回路中对电感充电；然后当开关 管断开时，电感开始在RLC串联电路中放电，回路中产生阻尼振荡波形;采集电容两端的振 荡信号输入差分放大模块。本实例中，振荡波发生电路101由待测电池 Battery、一个标准电 感L1、一个电容C1、一个场效应管Q1构成。具体实现上，待测电池 Battery的负极接模拟地； 电容C1与电感相连的左端作为Vinl信号端，与模拟地相连的右端作为Vin2信号端;场效应 管Q1的栅极接驱动芯片的OUT端，源极接模拟地，漏极接电容C1的左端(即Vinl端）。
[0039]驱动电路102与控制处理器相连，将控制处理器提供的一路控制信号放大后输出 到场效应管栅极，控制开关管导通或截止。驱动电路102由一个驱动芯片FAN3111ESX和一个 电容C2构成。本实例中，采用驱动芯片FAN3111ESX，需要电源模块的一路+12V电源为其供 电。具体实现上，驱动芯片FAN3111的VDD和IN+引脚都接到+12V电压上，GND引脚接数字地， XREF接控制处理器的一路控制信号；电容C2-端接驱动芯片的VDD引脚，另一端接模拟地。