电池内阻参数测量电路和电池内阻测量装置

摘要

一种电池内阻参数测量电路和电池内阻测量装置，包括连接在电池组两端的电流采集模块和电压采集模块，所述电池组包括至少第一电池单元和第二电池单元，所述电流采集模块包括第一放电控制单元、第二放电控制单元和放电采集单元，所述电压采集模块包括多个电压采集单元和双通道选择器；所述第一放电控制单元控制采集第一采样电流，所述第二放电控制单元控制采集第二采样电流；所述第一电池单元和所述第二电池单元分别包括电池，每节电池对应连接一个电压采集单元以采集每节电池的放电压降。本实用新型电路精度高、结构简单、成本低且能够同时测量多节电池的内阻参数，可以基于路检测的电阻内阻参数精确计算多节电池内阻。

说明书

技术领域

本实用新型涉及电池领域，更具体地说，涉及电池内阻参数测量电路和电池内阻测量装置。

背景技术

在移动中心或数据中心的动环监控领域，电池状态的监测和管理非常重要，需要对给设备供电的电池组中的单节电池的电压、内阻和温度进行准确、可靠、有效的采集监测，因为只有确保了对电池组中单节电池参数的精确采集，方可为电池的故障诊断，安全防护提供依据。

目前对通讯电源的电池组中的单节电池的电池内阻的采集方式主要有两种。一种方式是使用功率电阻对电池进行大电流放电，将电池放电时产生的压降电压进行采集从而计算出电池内阻。该方式的缺点是不能同时测量所有电池内阻，同时测量多节电池内阻时不准，而且功率电阻放电有发热导致电池起火的风险。另一种方式是使用小电阻对电池进行小电流放电，将电池放电时产生的压降电压进行采集从而计算出电池内阻。该方式的缺点是需要使用高频率激励信号以及高精度的仪表放大器元器件，因此成本较高、电路结构复杂且应用不方便。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的电池内阻测量电路要么只能采样单节电池内阻或精度低，要么成本高、电路结构复杂且应用不变的缺陷，提供一种精度高、结构简单、成本低且能够同时测量多节电池的内阻参数的电池内阻参数测量电路，以及基于所述电池内阻参数测量电路检测的电阻内阻参数精确计算多节电池内阻的电池内阻参数测量电路。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种电池内阻参数测量电路，包括连接在电池组两端的电流采集模块和电压采集模块，所述电池组包括至少第一电池单元和第二电池单元，所述电流采集模块包括第一放电控制单元、第二放电控制单元和放电采集单元，所述电压采集模块包括多个电压采集单元和双通道选择器；

所述第一放电控制单元连接在所述第一电池单元和所述放电采集单元之间以控制所述第一电池单元放电并采集第一采样电流，所述第二放电控制单元连接在所述第二电池单元和所述放电采集单元之间以控制所述第二电池单元放电并采集第二采样电流；

所述第一电池单元和所述第二电池单元分别包括电池，每节电池对应连接一个电压采集单元以采集每节电池的放电压降。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述第一放电控制单元包括光耦、第一电阻、第二电阻、第一放电开关器件，所述光耦的发射端阳极连接光耦电源、发射端阴极连接第一控制信号、接收端集电极经所述第二电阻连接所述第一放电开关器件的控制端、接收端发射极连接所述放电采集单元的第一端，所述第一放电开关器件的第一端连接所述电池组的第一正极、第二端连接所述放电采集单元的第二端，所述第一放电开关器件的控制端进一步经所述第一电阻连接所述第一放电开关器件的第一端。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述第一放电控制单元进一步包括第一防反开关器件、启动开关器件、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第一防反开关器件的控制端分别经所述第三电阻连接所述启动开关器件的第一端和经所述第四电阻连接所述电池组的第二正极，所述第一防反开关器件的第一端连接所述电池组的第二正极、第二端连接所述放电采集单元的第一端，所述启动开关器件的第二端接地、第三端经所述第五电阻连接第二控制信号，所述第六电阻连接在所述启动开关器件的第二端和第三端之间。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述第一放电控制单元进一步包括第一过流保护器件，所述第一过流保护器件连接在所述电池组的第一正极的所述第一放电开关器件的第一端之间。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述第二放电控制单元包括第二放电开关器件，所述第二放电开关器件的控制端连接第三控制信号、第一端连接所述放电采集单元的第二端、第二端连接所述电池组的负极。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述第二放电控制单元进一步包括防反二极管，所述防反二极管的阳极连接所述放电开关器件的第二端、阴极连接所述电池组的负极。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述第二放电控制单元进一步包括第七电阻、第八电阻和第二过流保护器件，所述第二放电开关器件的所述控制端经所述第七电阻接收所述第三控制信号，所述第八电阻连接在所述第二放电开关器件的控制端和地之间。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，所述放电采集单元包括依次串联在所述放电采集单元的第一端和第二端之间的采样电阻和功率电阻。

在本实用新型所述的电池内阻参数测量电路中，每个电压采集单元包括第一滤波电容、第二滤波电容和滤波电阻，所述双通道选择器包括多个第一输入端和多个第二输入端；所述第一滤波电容的正极对应连接一节电池的电池正极，负极连接所述滤波电阻的第一端和所述双通道选择器的一个第一输入端，所述第二滤波电容的正极对应连接所述一节电池的电池正极，负极连接所述滤波电阻的第二端和所述双通道选择器的一个第二输入端。

本实用新型解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种电池内阻测量装置，包括微控制器和前述的电池内阻参数测量电路；所述微控制器包括第一模数转换通道和第二模数转换通道，所述微控制器通过所述第一模数转换通道接收所述第一采样电流或者第二采样电流，通过所述第二模数转换通道接收每节电池的放电压降，并基于所述第一采样电流、所述第二采样电流和所述放电压降计算每节电池的内阻。

本实用新型的电池内阻参数测量电路精度高、结构简单、成本低且能够同时测量多节电池的内阻参数。进一步地所述电池内阻参数测量电路可以基于所述电池内阻参数测量电路检测的电阻内阻参数精确计算多节电池内阻。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型的电池内阻参数测量电路的优选实施例的原理框图；

图2是本实用新型的电池内阻参数测量电路的电流采集模块的优选实施例的电路图；

图3是本实用新型的电池内阻参数测量电路的电压采集模块的优选实施例的电路图；

图4是本实用新型的电池内阻测量装置的优选实施例的原理框图；

图5是电池内阻计算时的放电电路原理示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是本实用新型的电池内阻参数测量电路的优选实施例的原理框图。如图1所示，本实用新型的电池内阻参数测量电路200包括连接在电池组100两端的电流采集模块210和电压采集模块220。所述电池组100包括至少第一电池单元110和第二电池单元120。所述第一电池单元110和所述第二电池单元120优选分别包括电池。所述电流采集模块210包括第一放电控制单元211、第二放电控制单元212和放电采集单元213，所述电压采集模块220包括多个电压采集单元221-224和双通道选择器225。所述第一放电控制单元211连接在所述第一电池单元110和所述放电采集单元213之间以控制所述第一电池单元110放电并采集第一采样电流。所述第二放电控制单元212连接在所述第二电池单元120和所述放电采集单元213之间以控制所述第二电池单元120放电并采集第二采样电流。每节电池对应连接一个电压采集单元221以采集每节电池的放电压降。

在本实用新型的优选实施例中，所述第一电池单元110和所述第二电池单元120优选分别包括至少两节电池，因此，所述电压采集单元包括电压采集单元221-224，所述双通道选择器225包括八通道双选择芯片。当然在本实用新型的其他优选实施例中，可以选择任何适合数量的电池，而每节电池对应一个电压采集单元。

在本实用新型的优选实施例中，所述第一放电控制单元211和第二放电控制单元212可以采用任何适合的开关器件进行放电控制，所述放电采集单元213可以包括功率电阻和采样电阻。所述电压采集单元221-224可以包括电容电阻滤波电路。所述八通道双选择芯片可以将需要计算的电池节数选通，然后可以输出对应的电池的放电压降。

在所述第一放电控制单元211和第二放电控制单元212分别控制第一电池单元110和第二电池单元120放电时，可以分别同时采集两节电池的采样电流以用于后续电池内阻检测。同样地，每节电池对应连接一个电压采集单元221以采集每节电池的放电压降，因此可以根据需要同时或者分别采集多节电池，以用于后续电池内阻检测。通过采用所述第一放电控制单元211和第二放电控制单元212分别控制第一电池单元110和第二电池单元120放电并共用放电采集单元213进行采样电流的采集，可以同时获取多节电池的内阻参数，即放电压降、第一和第二采样电流，无需使用到高频放大装置，因此结构简单、成本低，而同时有可能保证高精度。

在本实用新型的其他优选实施例中，进一步的示出了电流采集模块210和电压采集模块220的优选电路。例如，图2是本实用新型的电池内阻参数测量电路的电流采集模块的优选实施例的电路图。图3是本实用新型的电池内阻参数测量电路的电压采集模块的优选实施例的电路图。

如图2所示，所述第一放电控制单元211包括光耦U1、电阻R1、电阻R2、放电场效应管Q1、防反场效应管Q2、启动三极管Q6、电阻R7、电阻R6、电阻R8和电阻R9、过流保护器件F1。所述第二放电控制单元212包括放电场效应管Q3、防反二极管D1、电阻R10、电阻R11和过流保护器件F2。所述放电采集单元213包括依次串联的采样电阻R5和功率电阻R4。

如图2所示，所述光耦U1的发射端阳极连接光耦电源Vcc3.5V、发射端阴极连接第一控制信号PWM1、接收端集电极经所述电阻R2连接所述放电场效应管Q1的栅极、接收端发射极连接所述采样电阻R5的第一端。所述放电场效应管Q1的源极经所述过流保护器件F1连接所述电池组100的第一正极V1R+、漏极连接功率电阻R4的第二端。所述采样电阻R5的第二端连接所述功率电阻R4的第一端。所述放电场效应管Q1的栅极进一步依次经所述电阻R1连接所述放电场效应管Q1的源极。

所述防反场效应管Q2的栅极分别经所述电阻R7连接所述启动三极管Q6的集电极和经所述电阻R6连接所述电池组100的第二正极V3R+，所述防反场效应管Q2的源极连接所述电池组100的第二正极V3R+、漏极连接所述采样电阻R5的第一端。所述启动三极管Q6的发射极接地、基极经所述电阻R8连接第二控制信号SW_CTRL，所述电阻R9连接在所述启动三极管Q6的发射极和基极之间。

所述放电场效应管Q3的栅极经所述电阻R10连接第三控制信号、源极连接所述功率电阻R4的第二端、漏极连接所述防反二极管D1的阳极。所述防反二极管D1的阴极经过流保护器件F2连接所述电池组100的负极V4R-。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述放电场效应管Q1、防反场效应管Q2和放电场效应管Q3也可以选择其他类似的开关器件，例如三极管、继电器等等，只要其能够通过选择合适耐压和通流参数，使得电路能够在一定频率正常放电均可。本领域中的任何已知开关器件都可以用于本实用新型。所述流保护器件F1和F2可以是任何适合的过流保护器件，其优选为可恢复保险丝。所述功率电阻R4可以采用任何适合的放电电阻，优选在符合功率范围内选择散热性能比较好的水泥电阻。

在本实用新型的优选实施例中，所述电池组100的第一正极V1R+和第二正极V3R+之间连接所述第一电池单元110，其优选包括第一节电池和第二节电池。所述第一放电控制单元211可以与所述放电采集单元213一起形成上半桥电路，对第一和第二节电池进行激励放电，以激发出采样电阻R5上的电压和/或电流波形。所述电池组100的第二正极V3R+和负极V4R-之间连接所述第二电池单元120，其优选包括第三节电池和第四节电池。所述第二放电控制单元212可以与所述放电采集单元213一起形成下半桥电路，对第三和第四节电池进行激励放电，以激发出采样电阻R5上的电压和/或电流波形。在本实用新型的优选实施例中，所述第一采样电流和第二采样电流的采集，可以是直接采集采样电阻R5上电流波形，也可以是采样其电压波形，然后根据采样电阻R5的阻值计算采样电流。

在本实用新型的优选实施例中，所述过流保护器件F1和F2均为快恢复保险丝，主要起过流保护作用，通过调节快恢复保险丝的耐压参数和电流阀值参数可以分别对不同电池(2V、12V)的放电电流起防护作用。优选地，快恢复保险丝可以在PCB设计时贴紧功率电阻R4设置，当回路放电异常而不能正常关闭时时，功率电阻R4高温发热，这时快恢复保险丝受到高温可以断开放电回路，起到物理保护作用，防止电池受高温起火。当然，在本实用新型的简化实施例中，可以省略过流保护器件F1和F2的设计，或者改用其他过流保护器件。

在本实用新型的优选实施例中，场效应管Q1作为上半桥放电回路的开关场效应管，其由光电耦合器U1进行频率控制。场效应管Q1优选为低导通电阻，过流能力大，且封装较大的器件，有利于散热。光电耦合器U1可以选择转换速度较快，转换效率100％～130％的器件，其价格比较低廉并且可以满足本实用新型的精度。类似的，作为下半桥放电回路的开关长效应管的场效应管Q3同样优选为低导通电阻，过流能力大，且封装较大的器件，有利于散热。所述场效应管Q3可以通过微控制器直接控制，也可以和场效应管Q1一样经过光耦隔离控制。

在本实用新型的优选实施例中，防反场效应管Q2、启动三极管Q6、电阻R7、电阻R6、电阻R8和电阻R9可以一起构成所述第一放电控制单元211的防反接电路，其可以防止第一节、第二节电池正负接反造成内部电路损坏。防反接二极管D1构成所述第二放电控制单元212的防反接电路，其可以防止第三节、第四节电池正负接反造成内部电路损坏，其选择反向耐压大于两节电池电压且符合回路通流能力即可。当然，在本实用新型的简化实施例中，可以不为所述第一放电控制单元211和/或所述第二放电控制单元212设置防反接电路。在该情形下，操作人员需要特别注意不要反接。

在本实用新型的优选实施例中，前述场效应管均可以通过调节电压和电流参数可以分别对应测试2V和12V等常用电池，因此本实用新型的电池内阻参数测量电路可以适用于1-48V的各类电池。

在本实用新型的优选实施例中，所述电流采集模块采用上下半桥放电方式，上半桥从所述电池组100的第一正极V1R+和第二正极V3R+对第一和第二节电池进行统一放电，输入端到采集端设置有快恢复保险丝F1，光电耦合器U1，放电场效应管Q1，采样电阻R5和功率电阻R4，以及防反接场效应管Q6。快恢复保险丝F1主要起过流保护作用，通过调节快恢复保险丝的参数可以分别对不同电池放电电流起防护作用。光电耦合器U1、放电场效应管Q1以及功率电阻R4主要对放电回路进行一定频率的开启和闭合，对第一、二节电池放电形成激励。在本优选实施例中，采样电阻R5作用为流过电阻产生的采样电压送到微控制器进行AD采集，计算出第一采样电流，即第一节和第二节电池放电电流值。防反接场效应管Q2可以防止电池正负接反造成内部电路损坏。

下半桥从所述电池组100的第二正极V3R+和负极V4R-对第三和第四节电池进行统一放电，输入端到采集端设置有快恢复保险丝F2，放电场效应管Q3，采样电阻R5和功率电阻R4以及防反二极管D2。快恢复保险丝F2主要起过流保护作用，通过调节快恢复保险丝的参数可以分别对不同电池起防护作用。放电场效应管Q3以及功率电阻R4主要对放电回路进行一定频率的开启和闭合，对第三、第四节电池放电形成激励。在本优选实施例中，采样电阻R5作用为流过电阻产生的采样电压送到微控制器进行AD采集，计算出第二采样电流，即第三节和第四节电池放电电流值。防反二极管D2可以防止电池正负接反造成内部电路损坏。

如图3所示，每个电压采集单元包括第一滤波电容、第二滤波电容和滤波电阻。在本优选实施例中，所述第一电池单元110和所述第二电池单元120优选分别包括至少两节电池。因此对应四节电池，设置四个电压采集单元。为了简便，仅仅示出了第一和第四电压采集单元。第一电压采集单元连接在第一节电池的正极V1+和负极V1-之间，其包括滤波电容C1和C2，以及滤波电阻R1，以此类推，第四电压采集单元连接在第四节电池的正极V4+和负极V4-之间，其包括滤波电容C7和C8，以及滤波电阻R10。对应的所述双通道选择器225包括四个正极输入端和四个负极输入端。

第一电压采集单元的滤波电容C1的正极对应连接第一节电池的电池正极V1+，负极连接所述滤波电阻R1的第一端且经电阻R2连接所述双通道选择器225的第一正极输入端，滤波电容C2的正极对应连接第一节电池的电池负极V1-、负极连接所述滤波电阻R1的第二端且经电阻R3连接所述双通道选择器225的第一负极输入端。以此类推，第四电压采集单元的滤波电容C7的正极对应连接第四节电池的电池正极V4+，负极连接所述滤波电阻R10的第四端且经电阻R11连接所述双通道选择器225的第四正极输入端，滤波电容C8的正极对应连接第四节电池的电池负极V4-、负极连接所述滤波电阻R10的第二端且经电阻R12连接所述双通道选择器225的第四负极输入端。在此，第二和第三电压采集单元与第二节和第三节电池的连接类似，在此就不再累述了。

在本实用新型的优选实施例中，每个电压采集单元包括两个滤波电容和滤波电阻构成的为电池电压高通滤波电路，以及电池电压双通道选通芯片U2构成的双通道选择器225，其可以将将需要计算的电池节数选通，从而输出对应的电池的电池电压，即获得每节电池的放电压降。

所述滤波电容可以选择符合耐压和容值要求的直插电解电容，双通道选择器可以采用常用的选通芯片即可，四组双通道选通一组。

本实用新型的电池内阻参数测量电路，其电压输入接口具有过流保护功能，能够同时测量1V～48V的多节电池内阻，具有电路高温防护功能，模块内部放电电阻温度过高会自动切断测量回路，防止功率温度继续上升。本实用新型的电池内阻参数测量电路精度高、结构简单、成本低、抗共模干扰能力强，且响应速度快，具有较高的实时性。

图4是本实用新型的电池内阻测量装置的优选实施例的原理框图，其利用图1-3所示的电池内阻参数测量电路获得的参数进行电池内阻的计算。如图4所示，所述电池内阻测量装置，包括微控制器300和前述电池内阻参数测量电路200。如前所述电池内阻参数测量电路包括连接在电池组100两端的电流采集模块210和电压采集模块220。所述微控制器300包括A/D通道1和A/D通道2，所述微控制器300通过A/D通道1接收所述第一采样电流或者第二采样电流，通过A/D通道2接收每节电池的放电压降，并基于所述第一采样电流、所述第二采样电流和所述放电压降计算每节电池的内阻。其具体计算过程和原理可以参考现有技术中的单节电池的计算过程，在此以图5为例简要说明如下。

以上半桥电池(即第一节和第二节电池)放电进行说明，采样电阻R5的电阻值为RCAL。其中上半桥电池放电下降电压Vb＝(V1R+)–(V3R+)；而采样电阻R5的采样电阻电压VCAL＝(VS+)–(VS-)。因此，流过采样电阻R5的采样电流I＝VCAL/RCAL。假设电池的阻抗为Zi，由于流过整个回路的电流相等，那么Vb/Zi＝I＝VCAL/RCAL；因此Zi＝(Vb/VCAL)*RCAL。其中Vb即为电压采集模块采集的对应节数的电池放电压降。即如果Zi表示第一节电池的内阻，那么Vb为双通道选择器225选通第一电压采样单元获得的第一节电池的放电压降。如果Zi表示第二节电池的内阻，那么Vb为双通道选择器225选通第二电压采样单元获得的第二节电池的放电压降。下半桥电池的放电过程也是类似，在此不在累述了。

因此，本实用新型的电池内阻测量装置能够一次测量多节电池内阻、测量速度快，使得外部检测线缆较少，安装简洁方便，因为测量电路使用的器件为低廉的电阻和场效应管器件，成本大幅度降低，应用也十分方便，在分布式或者集中式的电池内阻监测管理系统中均可使用。并且本实用新型的电池内阻测量装置具有高温防护性能，测量精度高，成本较低，还设计了输入过流保护电路，具有较强的抗干扰性能，并且电路结构简单，防护性能高，测量精度高，可靠性好，抗干扰能力强，使用方便，成本低。

虽然本实用新型是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本实用新型做各种修改，而不脱离本实用新型的范围。因此，本实用新型不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方式。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。