儲能電池智能輔助裝置的製作方法
2023-07-14 11:35:26
本發明涉及一種電池組輔助裝置，特別是涉及電池組的內阻測量，電池的活化。
背景技術：
在電池組的單體間均衡程序以及對電池活化程序中，需要有一種快速準確的手段獲取各節電池的容量。
在電池容量評估的應用中，通過監測電池的內阻來間接反映電池的容量是一種新型高效的評估方法。交流注入法是目前先進的電池內阻測量法之一，此法通過向電池施加正弦電流，以獲得電池的響應，通過適當的計算，獲取電池的內阻。此法可以實現對電池的在線檢測。
使用交流注入法測量電池內阻，技術難點在於實現理想的電流源，此電流源應有如下特點：能夠輸出大電流；並不要求完全與輸入信號幅值和相位的一致，但不能有波形畸變，並應儘量避免含有直流分量；在電池內阻可能的取值範圍內，對負載的變化不敏感。因此要求對電池的響應採樣應足夠精確，避免線路上的壓降對結果的幹擾。
此外，鉛酸電池的硫化是影響電池組效率的關鍵要素，所謂硫化是指正負極板上形成不可逆硫酸鉛鹽化組成一層白色粗粒結晶的硫酸鉛鹽，這種結晶體很難在正常的充電時消除，硫化的形成程度與鉛酸蓄電池容量有很大的關係，硫化越嚴重電容量越少，直至報廢。
當前類似裝置，使用的電流源是通用的電流源，不是專門以電池為負載對象的電流源，由於電池的特殊性質(內阻小，伴有容性負載，電池本身具有電壓)，通用電流源在使用中表現不夠理想。為應對電池組檢測的需求，往往使用繼電器切換電路與多節電池間的連接。電池內阻很小，往往只有幾十毫歐，與繼電器內阻量級相差不大，甚至與電路銅線的內阻量級相差不大，這就引入了很多誤差。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於，克服現有技術的不足，提供一種電池組智能輔助裝置。該裝置通過一個專門應對電池特徵負載設計的、帶負反饋的功率電流源發生器，以及電流源輸出端加隔直電容的設計，實現穩定輸出電流信號的功能，同時隔離電池的直流電壓，避免其對電流源的影響；通過激勵迴路和採集迴路分開的繼電器組結構-選通器，避免線路上的阻抗影響測量結果；通過以上三部分核心功能，構造出了交流注入法測量電池內阻的一種誤差很小的實現，可以對電池組的內阻實施在線檢測。該裝置還提供了一個自主設計的電池修復模塊，可對電池組實施電壓均衡與電池活化。該裝置可通過內阻檢測結果對電池組健康狀態進行評估，可根據評估結果智能的安排電壓均衡和電池活化工作。
本發明解決其技術問題是採用以下技術方案實現的：
一種儲能電池智能輔助裝置，該裝置包括MCU(微控制單元)、電池組內阻在線檢測模塊和電池修復模塊；MCU分別與電池組內阻在線檢測模塊、電池修復模塊相連；
所述的電池組內阻在線檢測模塊包括激勵信號發生器，功率電流源發生器，選通器，信號採集處理電路和乘法平均電路；其中，激勵信號發生器、功率電流源發生器、選通器、信號採集處理電路和依次相連，功率電流源發生器還和乘法平均電路直接相連；乘法平均電路、激勵信號發生器分別與MCU相連；工作時，選通器與待測電池組相連；
所述的電池修復模塊的電路的組成包括：一個IGBT集成驅動晶片U16、兩個MOSFET Q1與Q2、一個超級電容組C12、一個電感L1、四個電阻R34、R35、R36、R37；MCU的PWM1輸出經過電阻R34接集成晶片U16的12腳，MCU的PWM2輸出經過電阻R35接集成晶片U16的14腳，集成晶片U16的8腳經過電阻R36接MOSFET Q1的柵極，其1腳經過電阻R37接MOSFET Q2的柵極，MOSFET Q1的漏極接電池的正極，其源極接MOSFET Q2的漏極，還經過電感L1接超級電容組C12的正極，MOSFET Q2的源極接地，超級電容阻C12的負極接地，電池的負極接地。
所述的激勵信號發生器的組成包括：MCU的PWM輸出接電阻R1的一端，電阻R1的另一端、電阻R2和運算放大器U1的正輸入端依次串聯，電阻R2的一端還經過電容C1接地，電阻R2另一端還經過電容C2接地；運算放大器U1的負輸入端接其輸出端，運算放大器U1輸出端分別接電阻R3、電阻R6一端，電阻R3的另一端接運算放大器U2的負輸入端，運算放大器U2的正輸入端經過電阻R4接地，運算放大器U2的負輸入端接電阻R5的一端，還接電容C3的一端，運算放大器U2的輸出端分別接電阻R5的另一端、電容C3的另一端、電阻R7，電阻R7的另一端和電阻R6的另一端均接運算放大器U3的正輸入端，運算放大器U3的負輸入端分別接R9、電阻R8，電阻R8的另一端接地，運算放大器U3的輸出端分別接R9的另一端、電容C4，電容C4的另一端為電路的輸出；
所述的功率電流源發生器的組成包括：電阻R10、電阻R11均接運算放大器U4的正輸入端，電阻R10的另一端接激勵信號發生器中的C4，電阻R11的另一端接地；運算放大器U4輸出端接功率運算放大器U5的正輸入端，功率運算放大器U5的負輸入端經過並聯的電阻R14、電容C5與其輸出端相連，功率運算放大器U5的輸出端還接電容C8的一端，功率放大器U5的輸出端還經過電容C6、電阻R16接地，功率放大器U5的輸出端還接電阻R17，電阻R17的另一端經過電容C7接地，電阻R17的另一端還經過R15接運算放大器U6的正輸入端，運算放大器U6的負輸入端接其輸出端，運算放大器U6的輸出端經過電阻R12接運算放大器U4的負輸入端，運算放大器U7的正輸入端經過採樣電阻R18接地，運算放大器U7的負輸入端接輸出端，輸出端經過電阻R13接運算放大器U4的負輸入端，電容C8的另一端作為激勵電流輸出的正端，運算放大器U7正輸入端同時作為激勵電流輸出的負端和參考信號輸出端；
所述的選通器的組成包括：繼電器QA1、繼電器QB1、繼電器QA2、繼電器QB2構成的原端翻轉控制電路，繼電器組U8構成的原端選通電路；對稱的，繼電器QC1、繼電器QD1、繼電器QC2、繼電器QD2構成的副端翻轉控制電路，繼電器組U9構成的副端選通電路；本電路的正輸入端即功率電流源發生器中的電容C8，接繼電器QA1的一端與繼電器QB1的一端，繼電器QA1的另一端接繼電器組U8的奇數原端，繼電器QB1的另一端接繼電器組U8的偶數原端，本電路的負輸入端即功率電流源發生器中的運算放大器U7的正輸入端，接繼電器QA2的一端與繼電器QB2的一端，繼電器QA2的另一端接繼電器組U8的偶數原端，繼電器QB2的另一端接繼電器組U8的奇數原端，繼電器組U8的副端與電池組電池端分別相接，繼電器U9的副端與電池組電池端分別相接，其奇數原端接繼電器QC1的一端與繼電器QD2的一端，其偶數原端接繼電器QD1的一端與繼電器QC2的一端，繼電器QC1的另一端與繼電器QD1的另一端接本電路的正輸出端即信號採集處理電路中的C9，繼電器QC2的另一端與繼電器QD2的另一端接本電路的負輸出端即信號採集電路中的R19；
所述的信號採集處理電路的組成包括：本電路的正輸入端即選通器中的繼電器QC1接電容C9，本電路的負輸入端即選通器中的繼電器QC2接電阻R19，電阻R19的另一端接電容C9的另一端、電阻R20；電阻R19的一端還接運算放大器U10的正輸入端，運算放大器U10的負輸入端與其輸出端相連，運算放大器U10的輸出端還接電阻R21，電阻R21的另一端分別接運算放大器U11的負輸入端、電阻R23；電阻R23的另一端接運算放大器U11的輸出端，運算放大器U11的正輸入端經過電阻R20接電阻R19的另一端，運算放大器U11的正輸入端還經過電阻R22接地，運算放大器U11輸出端分別接電阻R27、電阻R24，電阻R24的另一端分別接運算放大器U12的負輸入端、電阻R26、電容C10，運算放大器U12的正輸入端經過電阻R25接地，運算放大器U12的輸出端分別接電阻R26的另一端、電容C10的另一端、電阻R28，電阻R28的另一端、電阻R27的另一端接運算放大器U13的正輸入端，運算放大器U13的負輸入端接電阻R29、電阻R30，電阻R29的另一端接地，運算放大器U13的輸出端接R30的另一端，運算放大器U13的輸出端作為電路輸出端；
所述的乘法平均電路的組成包括：響應信號輸入端即信號採集處理電路中的運算放大器U13的輸出端接調製解調晶片U14的信號輸入端即1腳，參考信號輸入端即功率電流源發生器中的運算放大器U7的正輸入端接調製解調晶片U14的參考輸入端即9腳，調製解調晶片U14的輸出即13腳接電阻R31，電阻R31的另一端接運算放大器U15的負輸入端，運算放大器U15的正輸入端經過電阻R32接地，運算放大器U15的負輸入端接電阻R33的一端，還接電容C11的一端，運算放大器U15的輸出端接電阻R33的另一端，還接電容C11的另一端，還作為電路的輸出端，接MCU的A/D輸入；
本發明的有益效果為
本裝置的電池內阻在線檢測電路，提出了一種原創的電流源電路；使用了激勵迴路與信號採集迴路分開的設計。
本裝置的電池內阻在線檢測電路，是交流注入法的一種有效實現。
其使用了專們為應對電池負載設計的電流源。此電流源具有閉環控制的特性，不受負載變化的影響，可以輸出穩定的激勵信號即電流，並且在輸出埠設有隔直電容，可以隔離電池的直流電壓，避免其對電流源的影響。
電池在線檢測過程中，電池本身存在外部電路施加的信號，這些信號對檢測裝置來說相當於噪聲。本裝置施加在電池上的激勵信號的幅值和頻率可變，激勵信號由MCU控制，對應不同的在線環境，選用不同頻率和幅值的激勵信號，避開噪聲嚴重的頻段，可以減小電池上存在的噪聲對激勵信號的幹擾。
在信號採集的部分，採用了以被測電池為分界，激勵迴路與採集迴路分開的兩級結構，在激勵迴路上信號的形式是電流信號，在採集迴路上信號的形式是電壓信號，因採集迴路上理論上不存在電流，避免了因線路和繼電器觸點電阻造成的誤差。
附圖說明
下面結合附圖和實例對本發明進一步說明。
圖1是本發明功能模塊結構圖。
圖2是電池組內阻在線檢測模塊的結構示意圖。
圖3是電池組內阻在線檢測模塊的激勵信號發生器示意圖。
圖4是電池組內阻在線檢測模塊的功率電流源發生器示意圖。
圖5是電池組內阻在線檢測模塊的選通器示意圖。
圖6是電池組內阻在線檢測模塊的信號採集處理電路示意圖。
圖7是電池組內阻在線檢測模塊的乘法平均電路示意圖。
圖8是本發明工作流程圖。
圖9是電池修復模塊示意圖。
具體實施方式
本發明參照附圖詳細說明如下，但僅作說明而不是限制本發明。
本發明為儲能電池智能輔助裝置，可以對電池組健康狀態進行檢測，並且可以對電池組進行修復和節間電壓均衡。
其組成如圖1所示，包括MCU(微控制單元)、電池組內阻在線檢測模塊和電池修復模塊；MCU控制電池組內阻在線檢測模塊並接收其檢測結果，MCU還控制電池修復模塊；工作時，電池組內阻在線檢測模塊、電池修復模塊分別與待測電池組相連。
本發明提供的一種電池組內阻在線檢測模塊如圖2所示，其特徵在於包括激勵信號發生器，功率電流源發生器，選通器，信號採集處理電路和乘法平均電路；其中，激勵信號發生器、功率電流源發生器、選通器、信號採集處理電路和依次相連，功率電流源發生器還和乘法平均電路直接相連；乘法平均電路、激勵信號發生器分別與MCU相連；工作時，選通器與待測電池組相連；
本裝置使用的MCU可以是ARM公司的STM32F103RCT6；
激勵信號發生器的組成結構如圖3所示：電阻R1、電容C1、電阻R2、電容C2構成的無源濾波電路，運算放大器U1、運算放大器U2、運算放大器U3、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電阻R6、電阻R7、電阻R8、電阻R9、電容C3構成的去直電路，電容C4構成的隔直電路；具體為：MCU的PWM輸出接電阻R1的一端，電阻R1的另一端、電阻R2和運算放大器U1的正輸入端依次串聯，電阻R2的一端還經過電容C1接地，電阻R2另一端還經過電容C2接地；運算放大器U1的負輸入端接其輸出端，運算放大器U1輸出端分別接電阻R3、電阻R6一端，電阻R3的另一端接運算放大器U2的負輸入端，運算放大器U2的正輸入端經過電阻R4接地，運算放大器U2的負輸入端接電阻R5的一端，還接電容C3的一端，運算放大器U2的輸出端分別接電阻R5的另一端、電容C3的另一端、電阻R7，電阻R7的另一端和電阻R6的另一端均接運算放大器U3的正輸入端，運算放大器U3的負輸入端分別接R9、電阻R8，電阻R8的另一端接地，運算放大器U3的輸出端分別接R9的另一端、電容C4，電容C4的另一端為電路的輸出；
圖3所示的激勵信號發生器的工作原理是，MCU產生PWM序列，送入無源濾波電路；無源濾波電路將信號整形，送入去直電路；去直電路將信號中的直流分量濾除，送入隔直電路；信號經過隔直電路輸出。
所述的功率電流源發生器的電路如圖4所示：運算放大器U1、電阻R10、電阻R11構成的誤差放大器，功率運算放大器U5、電阻R14、電容C5構成的功率電流源，電容C6、電阻R16構成的濾波電路，運算放大器U6、電阻R17、電阻R15、電阻R12、電容C7構成的直流反饋迴路，電容C8作為隔直電容，電阻RL為虛擬負載，電阻R18為傳感器電阻，運算放大器U7、電阻R15構成的反饋電路；具體為：電阻R10、電阻R11均接運算放大器U4的正輸入端，電阻R10的另一端接激勵信號發生器中的C4，電阻R11的另一端接地；運算放大器U4輸出端接功率運算放大器U5的正輸入端，功率運算放大器U5的負輸入端經過並聯的電阻R14、電容C5與其輸出端相連，功率運算放大器U5的輸出端還接電容C8的一端，功率放大器U5的輸出端還經過電容C6、電阻R16接地，功率放大器U5的輸出端還接電阻R17，電阻R17的另一端經過電容C7接地，電阻R17的另一端還經過R15接運算放大器U6的正輸入端，運算放大器U6的負輸入端接其輸出端，運算放大器U6的輸出端經過電阻R12接運算放大器U4的負輸入端，運算放大器U7的正輸入端經過採樣電阻R18接地，運算放大器U7的負輸入端接輸出端，輸出端經過電阻R13接運算放大器U4的負輸入端，電容C8的另一端作為激勵電流輸出的正端，運算放大器U7正輸入端同時作為激勵電流輸出的負端和參考信號輸出端；
圖4所示的功率電流源發生器的工作原理是，輸入信號與反饋信號通過U1進行比較，產生誤差的放大，放大倍數等於運算放大器的開環放大倍數；放大後的誤差信號進入功率運算9放大器的正輸入端，調節功率運算放大器的輸出電流；鑑於本裝置的負載為電池，輸出端由隔直電容C8分隔開，避免了因負載端電壓高引起的電流倒灌；直流反饋電路可以將輸出中的直流分量反饋出來，使得輸出端電壓直流分量跟隨輸入信號；輸出電流帶動負載，再經過傳感器電阻接地，使其在傳感器電阻R18上產生電壓反饋。
選通器的電路如圖5所示：繼電器QA1、繼電器QB1、繼電器QA2、繼電器QB2構成的原端翻轉控制電路，繼電器組U8構成的原端選通電路；對稱的，繼電器QC1、繼電器QD1、繼電器QC2、繼電器QD2構成的副端翻轉控制電路，繼電器組U9構成的副端選通電路；本電路的正輸入端即功率電流源發生器中的電容C8，接繼電器QA1的一端與繼電器QB1的一端，繼電器QA1的另一端接繼電器組U8的奇數原端，繼電器QB1的另一端接繼電器組U8的偶數原端，本電路的負輸入端即功率電流源發生器中的運算放大器U7的正輸入端，接繼電器QA2的一端與繼電器QB2的一端，繼電器QA2的另一端接繼電器組U8的偶數原端，繼電器QB2的另一端接繼電器組U8的奇數原端，繼電器組U8的副端與電池組電池端分別相接，繼電器U9的副端與電池組電池端分別相接，其奇數原端接繼電器QC1的一端與繼電器QD2的一端，其偶數原端接繼電器QD1的一端與繼電器QC2的一端，繼電器QC1的另一端與繼電器QD1的另一端接本電路的正輸出端即信號採集處理電路中的C9，繼電器QC2的另一端與繼電器QD2的另一端接本電路的負輸出端即信號採集電路中的R19；
圖5所示的選通器的工作原理是，當選中奇數電池時，繼電器QA1、QA2、QC1、QC2接通，激勵電流從繼電器組U8的奇數繼電器流入電池正極，從電池負極經過繼電器組U8的偶數繼電器流出；當選中偶數電池時，繼電器QB1、QB2、QD1、QD2接通，激勵電流從繼電器組U8的偶數繼電器流入電池正極，從電池負極經過繼電器組U8的奇數繼電器流出；當原端動作時，對應的副端也會動作；輸入端電流只存在於原邊電路和被選電池上，不存在與副邊電路上，從而避免了因繼電器觸點內阻造成的電壓降。
所述的信號採集處理電路的一種實現電路如圖6所示：運算放大器U10、運算放大器U11、電阻R19、電阻R20、電阻R21、電阻R22、電阻R23、電容C9構成的差分採樣電路，運算放大器U12、運算放大器U13、電阻R24、電阻R25、電阻R26、電阻R27、電阻R28、電阻R29、電阻R30、電容C10構成的去直電路；具體為：本電路的正輸入端即選通器中的繼電器QC1接電容C9，本電路的負輸入端即選通器中的繼電器QC2接電阻R19，電阻R19的另一端接電容C9的另一端、電阻R20；電阻R19的一端還接運算放大器U10的正輸入端，運算放大器的U10負輸入端與其輸出端相連，運算放大器U10的輸出端還接電阻R21，電阻R21的另一端分別接運算放大器U11的負輸入端、電阻R23；電阻R23的另一端接運算放大器U11的輸出端，運算放大器U11的正輸入端經過電阻R20接電阻R19的另一端，運算放大器U11的正輸入端還經過電阻R22接地，運算放大器U11輸出端分別接電阻R27的、電阻R24，電阻R24的另一端分別接運算放大器U12的負輸入端、電阻R26、電容C10，運算放大器U12的正輸入端經過電阻R25接地，運算放大器U12的輸出端分別接電阻R26的另一端、電容C10的另一端、電阻R28，電阻R28的另一端、電阻R27的另一端接運算放大器U13的正輸入端，運算放大器U13的負輸入端接電阻R29、電阻R30，電阻R29的另一端接地，運算放大器U13的輸出端接R30的另一端，運算放大器U13的輸出端作為電路輸出端；
圖6所示的信號採集處理電路的工作原理是，輸入埠的電壓差，送入差分採樣電路；差分採樣電路將輸入電壓差轉換為對地的電壓，送入去直電路；去直電路濾去信號中的直流分量，將信號輸出。
乘法平均電路的一種實現電路如圖7所示：調製解調晶片U14作乘法器，此處的U14可以是AD630，運算放大器U15、電阻R31、電阻R32、電阻R33、電容C11構成的低通濾波器；具體為：響應信號輸入端即信號採集處理電路中的運算放大器U13的輸出端接調製解調晶片U14的信號輸入端即1腳，參考信號輸入端即功率電流源發生器中的運算放大器U7的正輸入端接調製解調晶片U14的參考輸入端即9腳，調製解調晶片U14的輸出即13腳接電阻R31，電阻R31的另一端接運算放大器U15的負輸入端，運算放大器U15的正輸入端經過電阻R32接地，運算放大器U15的負輸入端接電阻R33的一端，還接電容C11的一端，運算放大器U15的輸出端接電阻R33的另一端，還接電容C11的另一端，還作為電路的輸出端，接MCU的A/D輸入；
圖7所示的乘法平均電路的工作原理是，將處理後的響應信號與參考信號產生的同頻同相方波做乘法，得到的計算結果用低通濾波器轉化為直流值送到下一級，經過AD轉換後送入單片機。
本發明的工作流程如圖8所示：裝置啟動後，進入電池組健康狀態檢測程序，啟動電池組內阻在線檢測模塊，根據檢測得到的結果決定是否需要進行電池活化和電壓均衡，若需要則進入電池活化和電壓均衡程序，啟動電池活化模塊，完成後流程結束。
本發明提供的一種電池修復模塊的電路如圖9所示：一個IGBT集成驅動晶片U16、兩個MOSFET Q1與Q2、一個超級電容組C12、一個電感L1、四個電阻R34、R35、R36、R37；MCU的PWM1輸出經過電阻R34接集成晶片U16的12腳，MCU的PWM2輸出經過電阻R35接集成晶片U16的14腳，集成晶片U16的8腳經過電阻R36接MOSFET Q1的柵極，其1腳經過電阻R37接MOSFET Q2的柵極，MOSFET Q1的漏極接電池的正極，其源極接MOSFET Q2的漏極，還經過電感L1接超級電容組C12的正極，MOSFET Q2的源極接地，超級電容阻C12的負極接地，電池的負極接地。
圖9所示的電池修復模塊的工作原理是，通過MCU輸出兩路PWM信號，控制兩個MOSFET的通斷，IGBT集成驅動晶片起驅動作用，同時提供互鎖功能，防止兩個MOSFET同時開通使電池短路；當工作時，先開通Q1，電池向超級電容充電，充電完成後關斷Q1，然後向Q2發送一系列脈衝，當Q2開通時，超級電容通過電感L1和Q2形成迴路放電，產生一個大電流，當Q2關斷時，由於電感L1的續流作用，電流通過Q1背部的二極體，流向電池，反覆進行此過程，將產生一系列脈衝電流，通過控制Q2的開合頻率，即可得到同頻率的電流脈衝，擊碎電池中的硫化晶體，實現電池活化的效果。
上述電池修復模塊還有一個功能，既可作為電池組均衡器使用，工作時，先選中電壓最高的電池，開通Q1讓其向超級電容充電，充滿後關斷Q1，再選中電壓最低的電池，開通Q1，超級電容向電池充電。反覆進行此過程，直到電池組的每節電池電壓相等。
本發明未盡事宜為公知技術。