一种集成在BMS系统中的锂电池内阻检测电路的制作方法

一种集成在bms系统中的锂电池内阻检测电路
技术领域
1.本发明涉及锂电池内阻检测技术领域，尤其是一种集成在bms系统中的锂电池内阻检测电路。


背景技术：

2.锂电池及bms系统被大量应用在诸多领域。其中锂电池内阻作为反映电池老化状况的一项重要指标，及时测量电池内阻状态，能够及时发现老化电池，规避可能引发的风险。
3.通常情况下，储能系统中的锂电池内阻由厂家出厂时测量并匹配，后续无法再做测量，所以在通常的bms系统中并不具备测量锂电池内阻的能力。有些 bms设备可以根据采集到的电压电流数据，通过计算来估计锂电池的内阻，但估算值可能误差较大，并且复杂的计算对bms设备算力要求较高。
4.通常对锂电池内阻的测量方法是在电池两端瞬间施加大电流，测量此时的电流值和电池电压值，即可计算得电池内阻。但这种测量方法需要较大的电流源，通常需要提供5c以上电流，可能要上千安培，这无疑在bms系统中是无法实现的。
5.在锂电池的出厂测试中，厂家所提供的电池内阻曲线通常为时域形式，同时与之对应的，也有电池内阻的频域响应曲线。通过选择有效频率的激励信号，测量电池的特定频率下的小信号交流阻抗，从而得到电池内阻。
6.内阻增大是电池老化的主要表现，老化电池更易发热，容量更小，往往更容易充满或放完，发热也容易与其他电池比更大。单个老化电池往往会拖累整个储能系统的容量，虽然通过bms的均衡功能能够改善部分状况，但老化电池依然会恶性循环，治标不治本。所以及时检测电池内阻，及时判断电池的老化状况是十分有必要的。


技术实现要素：

7.本发明要解决的技术问题是：提供一种集成在bms系统中的锂电池内阻检测电路，能够及时检测锂电池内阻。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种集成在bms系统中的锂电池内阻检测电路，包括主动均衡电路，所述主动均衡电路包括可与电池正极相连的正极开关、可与电池负极相连的负极开关，可与正极开关相连的内阻检测开关k11连接隔直耦合电容c1的正端，隔直耦合电容c1的负端连接正弦交流激励电路，所述正弦交流激励电路产生1khz的交流信号；
9.内阻检测开关k11连接隔直耦合电容c2的正端，隔直耦合电容c2的负端连接电压检测电路；电压检测电路将电池两端的交流小信号电压响应放大后传输至半波鉴相器；
10.可与负极开关相连的内阻检测开关k12连接虚拟地和电流检测电路，电流检测电路的输出传输至半波鉴相器；
11.所述正弦激励电路包括正弦信号发生器u2，正弦信号发生器u2与单片机 u13通讯
连接，由单片机u13控制正弦信号发生器u2输出正弦信号；半波鉴相器的输出传输至单片机u13。
12.优选的，所述隔直耦合电容c1的负端通过电阻r2连接电压跟随器u1、第一带通滤波器至正弦信号发生器u2。
13.优选的，所述隔直耦合电容c2的负端通过电容c9、电阻r10接电压检测电路的一输入侧；内阻检测开关k12通过电容c10、电阻r12接电压检测电路的另一输入侧。
14.优选的，内阻检测开关k12通过电阻r18、电容c11接入电流检测电路的一输入侧；内阻检测开关k12通过电阻r18、电阻r20、电容c12接入电流检测电路的另一输入侧；
15.内阻检测开关k12通过电阻r18、电阻r19接运算放大器u6的负极输入端，
16.运算放大器u6的正极输入端接地，运算放大器u6构成虚拟地，运算放大器u6的输出端通过电容c12接入电流检测电路的另一输入侧。
17.优选的，还包括由单片机u13控制的模拟开关sw1，模拟开关sw1的公共端连接第二带通滤波器的输入端，第二带通滤波器的输出端接半波鉴相器的输入端，模拟开关sw1的一切换端口接电压检测电路的输出端，模拟开关sw1的另一切换端口接电流检测电路的输出端。
18.优选的，所述锂电池内阻检测电路集成在bms系统的采样从板中。
19.优选的，正极开关通过主动均衡开关k9连接主动均衡储能电感l1的一端，负极开关通过主动均衡开关k10连接主动均衡储能电感l1的另一端。
20.本发明的有益效果是：本发明利用主动均衡电路实现一套电路检测全部电池内阻。利用锂电池交流小信号频域响应特性，通过施加特定频率激励，检测锂电池在特定频率下的交流小信号电压响应和电流响应，再与激励信号进行叠加解算，获得电池内阻数据。本发明的锂电池内阻检测电路采用交流小信号检测电池内阻的方法体积小成本低易实现，同时配合主动均衡电路，易于改造。
附图说明：
21.图1是本发明的锂电池内阻检测电路的电路原理图；
22.图2是本发明的锂电池内阻检测电路的功能原理图；
23.图3是电池交流小信号阻抗奈奎斯特图。
具体实施方式
24.下面对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
25.本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
26.如图1、图2所示，一种集成在bms系统中的锂电池内阻检测电路，所述锂电池内阻检测电路集成在bms系统的采样从板中。所述锂电池内阻检测电路包括主动均衡电路，所述主动均衡电路包括可与电池正极相连的正极开关、可与电池负极相连的负极开关。
27.可与正极开关相连的内阻检测开关k11连接隔直耦合电容c1的正端，隔直耦合电容c1的负端连接正弦交流激励电路，所述正弦交流激励电路产生1khz 的交流信号。内阻检
测开关k11连接隔直耦合电容c2的正端，隔直耦合电容c2 的负端连接电压检测电路；电压检测电路将电池两端的交流小信号电压响应放大后传输至半波鉴相器。可与负极开关相连的内阻检测开关k12连接虚拟地和电流检测电路，电流检测电路的输出传输至半波鉴相器。
28.所述正弦激励电路包括正弦信号发生器u2，正弦信号发生器u2与单片机 u13通讯连接，由单片机u13控制正弦信号发生器u2输出正弦信号；半波鉴相器的输出传输至单片机u13。
29.正极开关通过主动均衡开关k9连接主动均衡储能电感l1的一端，负极开关通过主动均衡开关k10连接主动均衡储能电感l1的另一端。
30.所述隔直耦合电容c1的负端通过电阻r2连接电压跟随器u1、第一带通滤波器至正弦信号发生器u2。所述隔直耦合电容c2的负端通过电容c9、电阻r10 接电压检测电路的一输入侧；内阻检测开关k12通过电容c10、电阻r12接电压检测电路的另一输入侧；内阻检测开关k12通过电阻r18、电容c11接入电流检测电路的一输入侧；内阻检测开关k12通过电阻r18、电阻r20、电容c12接入电流检测电路的另一输入侧。
31.内阻检测开关k12通过电阻r18、电阻r19接运算放大器u6的负极输入端；运算放大器u6的正极输入端接地，运算放大器u6构成虚拟地，运算放大器u6 的输出端通过电容c12接入电流检测电路的另一输入侧。
32.所述锂电池内阻检测电路还包括由单片机u13控制的模拟开关sw1，模拟开关sw1的公共端连接第二带通滤波器的输入端，第二带通滤波器的输出端接半波鉴相器的输入端，模拟开关sw1的一切换端口接电压检测电路的输出端，模拟开关sw1的另一切换端口接电流检测电路的输出端。
33.图1中，bat1～bat4为锂电池，此处表示电池包内多个串联电池，实际情况中往往需要十几个电池串联，但由于电路图大小限制，此处仅用4节表示。开关k1～开关k8为开关矩阵，分别为正极开关(与电池正极相连)、负极开关 (与电池负极相连)。主动均衡开关k9、主动均衡开关k10用于将主动均衡电路接入。当主动均衡开关k9、主动均衡开关k10闭合时，主动均衡储能电感l1用于存储电池均衡能量。当需要检测电池内阻时，断开主动均衡开关k9、主动均衡开关k10，闭合内阻检测开关k11、内阻检测开关k12。隔直耦合电容c1、隔直耦合电容c2连接在电池正极，隔直耦合电容c1另一端连接正弦交流激励电路，隔直耦合电容c2另一端连接电压检测电路。正弦交流激励电路包括电压跟随器u1、由电阻r4～电阻r7以及电容c5～电容c7组成的第一带通滤波器、正弦信号发生器u2，此处配置其产生1khz交流信号，正弦信号发生器u2与单片机u13通讯，控制正弦信号发生器u2的正弦信号产生。电压检测电路由集成运放器u3、集成运放器u4、集成运放器u5组成，负责将电池两端的交流小信号电压响应放大，并向之后的半波鉴相器传输。内阻检测开关k12连接激励源虚拟地和电流检测电路。由于运算放大器u6的虚断特性的高阻抗，因而构成虚拟地。集成运放器u7、集成运放器u8、集成运放器u9构成电流检测电路，电流检测电阻r20将电流信号转换为两侧的电压降，通过集成运放器u7、集成运放器u8、集成运放器u9放大，向之后的半波鉴相器传输。模拟开关sw1由单片机 u13控制，用于选择与电压检测电路连接或与电流检测电路连接。模拟开关sw1 连接第二带通滤波器，第二带通滤波器用于滤除高次谐波。第二带通滤波器之后连接半波鉴相器，半波鉴相器将激励信号与电压或电流信号相乘，并检测幅值与相位信号，半波鉴相器的输出传输进单片机u13，由单片机u13解算电池内阻。
34.图3为电池交流小信号阻抗奈奎斯特图。其中纵轴为虚部。由图3中可见，约1khz左右部分，并无虚部信号，即电池全部为欧姆内阻响应，并无极化内阻响应，所以本电路中采用1khz作为激励频率。传统内阻检测是利用电池的时域响应特性，使用脉冲电流检测。这种方法需要提供极大电流，并且需要极为快速精确的传感器，所以无法在bms设备中配备。但利用电池的交流小信号阻抗频域响应特性，选用特定的频率，使得电池仅表现出欧姆内阻特性，也能够解算出电池内阻。
35.利用主动均衡电路的正极开关与负极开关，能够将任意电池接入内阻检测电路。由于设置了隔直耦合电容c1、隔直耦合电容c2，所以电池直流信号并不对电路造成影响。首先通过正弦信号发生器u2，向电池施加1khz的正弦交流信号，再通过控制模拟开关sw1，分别选择接入电压检测电路检测电压信号或接入电流检测电路检测电流信号，此时得到的信号为电池的交流电压响应或交流电流响应。为了得到交流信号的幅值相位信息，需要半波鉴相器对信号处理。鉴相器首先将1khz的参考信号与电压响应、电流响应相乘，得到4个带有2倍角频率、1倍角频率以及相位信息的方程。使用第二带通滤波器滤除2倍频分量，即可得出电压与电流的直流分量。此时只需用电压幅值除以电流幅值即可得出电池阻抗，即内阻。
36.电池阻抗具体解算如下：
37.1)计算测试频率f对应的角频率ω：
38.ω＝2πf
39.2)计算参考信号u
refi
、参考信号u
refq
：
[0040][0041]
3)计算被测元件电压u
dut
、被测元件电流i
dut
：
[0042][0043]
4)被测元件电压u
dut
、被测元件电流i
dut
分别与参考信号u
refi
、参考信号 u
refq
相乘：
[0044][0045][0046]
5)通过第二带通滤波器低通滤波，滤除2倍频分量，剩下直流分量，计算直流电压分量u
dut_i
、直流电压分量u
dut_q
、直流电流分量i
dut_i
、直流电流分量i
dut_q
：
[0047][0048]
6)计算被测元件电压幅值uz、被测元件电流幅值iz、相对参考正弦信号的电压相位φu、相对参考正弦信号的电流相位φi：
[0049][0050]
7)计算阻抗模值∣z
dut
∣与阻抗角θ：
[0051][0052]
8)计算阻抗的实部r与虚部x(阻抗z
dut
＝r jx)：
[0053][0054]
1)本发明基于bms主动均衡电路加以改造，利用主动均衡电路实现一套电路检测全部电池内阻。2)利用锂电池交流小信号频域响应特性，通过施加特定频率激励，检测锂电池在特定频率下的交流小信号电压响应和电流响应，再与激励信号进行叠加解算，获得电池内阻数据，甚至可以进一步的计算出阻抗角、品质因数、损耗因子等。3)整个内阻检测电路集成在bms系统采样从板中，能够时刻检测电池内阻状态，并且不同于通过数据间接估算，通过板载电路形式检测电池内阻的实际值，误差极小。4)由于电池内阻会随电池的充放电容量变化而微小变化，在充放电结束后检测电池内阻，能够辅助标定电池soc状况。同时也能及时发现内阻偏离平均值较大的电池，提前预警，及时更换。5)本发明的锂电池内阻检测电路采用交流小信号检测电池内阻的方法体积小成本低易实现，同时配合主动均衡电路，易于改造。
[0055]
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。