本發(fā)明涉及測量電變量，特別涉及基于數(shù)字相敏整流的蓄電池內(nèi)阻系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著通訊、大數(shù)據(jù)以及軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)和快速發(fā)展，作為這些重要基礎(chǔ)設(shè)施安全運行保障的后備電源系統(tǒng)得以大量普及和應(yīng)用。由于成本和安全性等原因，目前的后備電源系統(tǒng)仍以大容量鉛酸蓄電池為主，在長期的運行過程中，蓄電池的性能會逐漸劣化，主要表現(xiàn)為內(nèi)阻增大和容量衰減，嚴(yán)重時導(dǎo)致電池失效，危及系統(tǒng)的安全運行。

2、為了掌握電池的工作狀態(tài)，確保后備電源系統(tǒng)的安全可靠，后備電源系統(tǒng)已經(jīng)普遍開始配備蓄電池在線監(jiān)測裝置，定時檢測蓄電池的內(nèi)阻和負(fù)極溫度等重要的狀態(tài)參數(shù)，并以此為依據(jù)評估蓄電池的荷電狀態(tài)及健康狀況。

3、目前，蓄電池的在線監(jiān)測裝置普遍采用放電法對電池進行激勵，即以某一直流或交流電流激勵對電池放電，因為電池內(nèi)阻的存在，在電池的兩極之間會相應(yīng)的生成一個電壓響應(yīng)信號，其幅值等于激勵電流與電池內(nèi)阻的乘積。出于安全和對電池的健康考慮，監(jiān)測裝置的放電激勵電流一般都在2a以下。正常情況下，蓄電池的內(nèi)阻一般都比較小，尤其是大容量的電池，其內(nèi)阻僅有200~500μω，激勵電流在電池兩極間產(chǎn)生電壓響應(yīng)信號一般僅能達到毫伏甚至微伏級，計算機的模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)無法有效識別如此微弱的信號，所以，電池內(nèi)阻的電壓響應(yīng)信號一般要經(jīng)過抗干擾處理去除干擾成分，再經(jīng)過差分放大器充分放大以后才可以送至計算機處理。

4、現(xiàn)有的直流放電法以直流電流進行放電激勵，通過比較放電激勵終止前后電池電壓的變化幅度來計算內(nèi)阻，因為脈動電流的影響，尤其是當(dāng)ups、dcdc等干擾較大的設(shè)備工作時在電池端難免造成一定的電壓波動，這些波動如果疊加在內(nèi)阻測試的電壓響應(yīng)信號上會對內(nèi)阻檢測精度造成十分嚴(yán)重的影響，甚至導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)無法對電池進行有效的內(nèi)阻測量。

5、相比直流放電法，交流放電發(fā)法通常以頻率為1000hz左右、幅值為1-2a的正弦波激勵電流對電池放電，根據(jù)歐姆定律，電池兩極會產(chǎn)生一個與激勵電流同頻率的電壓響應(yīng)信號，信號的幅值等于內(nèi)阻和電流的乘積，一般為數(shù)十微伏至數(shù)十毫伏，因激勵電流一般是頻率為1000hz左右的正弦波交流電流。交流放電法激勵電流的頻率通常比較高，信號在測試電纜上傳輸時內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號的幅值和相位受激勵電流電磁感應(yīng)耦合的影響比較嚴(yán)重，信號傳輸?shù)綔y量裝置端時其幅值大小已無法真實地反映電池真實的內(nèi)阻情況，因此，在使用交流放電法時常規(guī)的電壓測量方式并不適合做蓄電池的內(nèi)阻檢測。

6、由于內(nèi)阻的電壓響應(yīng)信號非常微弱，為有效檢出信號，避免測量線的電阻對信號產(chǎn)生影響，蓄電池在線監(jiān)測裝置與電池之間連接用的測試電纜通常采用四線制（即兩條激勵線和兩條信號線）。在安裝和使用時，信號線和激勵線之間的位置關(guān)系存在不確定性。因為電磁感應(yīng)的關(guān)系，激勵電流的電磁場不可避免地會耦合到信號線上，在信號線上生成微弱的感應(yīng)電壓信號，感應(yīng)電壓與響應(yīng)電壓信號同頻，強弱取決于激勵電流的頻率、測量電纜的長度及電纜之間的位置關(guān)系，嚴(yán)重時感應(yīng)電壓的強度可達有用信號的數(shù)倍。感應(yīng)電電壓與信號電壓疊加，改變了內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號的幅值和相位，對內(nèi)阻的測量精度造成了很大的影響。

7、另外，后備電源系統(tǒng)一般工作環(huán)境比較復(fù)雜，系統(tǒng)普遍配備大型ups，大功率dcdc等高頻充放電設(shè)備，運行時會產(chǎn)生較大的電磁輻射干擾和傳導(dǎo)干擾，對一些精密的檢測設(shè)備尤其是電池監(jiān)測設(shè)備的影響幾乎無法避免，因此，提高蓄電池內(nèi)阻檢測的準(zhǔn)確性和抗干擾性能的需求是目前業(yè)界亟待解決的重要課題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了基于數(shù)字相敏整流的蓄電池內(nèi)阻系統(tǒng)及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中蓄電池內(nèi)阻檢測的準(zhǔn)確性低和抗干擾性能差的技術(shù)問題。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于數(shù)字相敏整流的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)，包括下位機、激勵電路和高通濾波器，所述下位機包括脈沖發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字相敏整流器和校準(zhǔn)單元，其中：

3、所述脈沖發(fā)生器生成激勵電流，傳輸?shù)叫铍姵睾图铍娐?，所述激勵電流激勵所述蓄電池產(chǎn)生脈動直流電壓信號傳輸給高通濾波器；

4、所述激勵電路將所述激勵電流轉(zhuǎn)換成電壓采樣信號傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

5、所述高通濾波器對所述脈動直流電壓信號進行高通濾波獲得內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

6、所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器將所述電壓采樣信號和內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號模數(shù)轉(zhuǎn)換為電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號，傳輸給數(shù)字相敏整流器；

7、所述數(shù)字相敏整流器以相差π/2的兩個參考相位為起點對所述電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號進行相敏整流，檢出內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號的響應(yīng)幅值和相位偏移量以及電壓采樣信號的相位偏移量；

8、所述校準(zhǔn)單元被配置為基于所述數(shù)字相敏整流器檢出的所述響應(yīng)幅值、采樣相位偏移量和響應(yīng)相位偏移量獲得蓄電池的內(nèi)阻，所述內(nèi)阻與所述響應(yīng)幅值在偏移相位差的正交相位上的正弦分量呈線性關(guān)系，所述偏移相位差為內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號的相位偏移量與電壓采樣信號的相位偏移量的相位差。

9、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述數(shù)字相敏整流器包括參考相位整流模塊、正交相位整流模塊、響應(yīng)幅值檢出模塊和相位偏移檢出模塊：

10、所述參考相位整流模塊被配置為以第一參考相位為起點分別對所述電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號進行整流獲得第一參考相位對應(yīng)的采樣整流值和響應(yīng)整流值；

11、所述正交相位整流模塊被配置為以與第一參考相位超前或滯后π/2的第二參考相位為起點分別對所述電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號進行整流獲得第二參考相位對應(yīng)的采樣整流值和響應(yīng)整流值；

12、所述響應(yīng)幅值檢出模塊被配置為基于所述第一參考相位和第二參考相位對應(yīng)的響應(yīng)整流值獲得響應(yīng)幅值，所述響應(yīng)幅值的平方為所述第一參考相位對應(yīng)的響應(yīng)整流值的平方與所述第二參考相位對應(yīng)的響應(yīng)整流值的平方的平方和；

13、所述相位偏移檢出模塊被配置為基于所述第二參考相位和第一參考相位對應(yīng)的采樣整流值和響應(yīng)整流值分別獲得采樣相位偏移量和響應(yīng)相位偏移量，所述采樣相位偏移量為所述第二參考相位和第一參考相位對應(yīng)的所述采樣整流值的采樣整流比的反正切；所述響應(yīng)相位偏移量為所述第二參考相位和第一參考相位對應(yīng)的所述響應(yīng)整流值的響應(yīng)整流比的反正切。

14、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述激勵電路為恒流源激勵電路，所述恒流源激勵電路分別與所述脈沖發(fā)生器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和蓄電池電連接，所述恒流源激勵電路將脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的激勵電流分成兩路，一路激勵電流轉(zhuǎn)換成電壓采樣信號傳輸給模數(shù)轉(zhuǎn)換器，另一路激勵電流轉(zhuǎn)換為恒定電流傳輸給蓄電池。

15、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)還包括放大器，所述放大器與所述高通濾波器電連接，用于對高通濾波產(chǎn)生的內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號進行放大。

16、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述放大器為差分放大器。

17、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)還包括低通濾波器，所述低通濾波器分別與所述脈沖發(fā)生器和激勵電路電連接，用于對脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的激勵電流進行低通濾波后傳輸給激勵電路。

18、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述下位機還包括通訊單元，所述通訊單元被配置為將校準(zhǔn)單元獲得的蓄電池的內(nèi)阻向外傳輸。

19、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述下位機為單片機。

20、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)還包括上位機，所述上位機與所述下位機有線或者無線連接。

21、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述上位機還被配置為基于所述下位機檢出的蓄電池的內(nèi)阻分析蓄電池的健康狀況或/和荷電狀態(tài)。

22、根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了基于數(shù)字相敏整流的蓄電池內(nèi)阻測量方法，包括:

23、激勵響應(yīng)步驟：采用激勵電流對蓄電池進行激勵獲得脈動直流電壓信號；

24、激勵采樣步驟：對激勵電流進行電壓采樣獲得電壓采樣信號；

25、高通濾波步驟：對所述脈動直流電壓信號進行高通濾波獲得內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號；

26、模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟：對所述電壓采樣信號和內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，獲得電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號；

27、數(shù)字相敏整流步驟：以相差π/2的兩個參考相位為起點對所述電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號進行相敏整流，檢出內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號的響應(yīng)幅值和相位偏移量以及電壓采樣信號的相位偏移量；

28、內(nèi)阻檢出步驟：基于所述響應(yīng)幅值、采樣相位偏移量和響應(yīng)相位偏移量獲得蓄電池的內(nèi)阻，所述內(nèi)阻與所述響應(yīng)幅值在偏移相位差的正交相位上的正弦分量呈線性關(guān)系，所述偏移相位差為內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號的相位偏移量與電壓采樣信號的相位偏移量的相位差。

29、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述數(shù)字相敏整流步驟包括：

30、整流步驟：分別以第一參考相位和第二參考相位為起點對所述電壓采樣離散信號和響應(yīng)離散信號進行整流獲得第一參考相位和第二參考相位對應(yīng)的采樣整流值和響應(yīng)整流值，所述第一參考相位相對第二參考相位超前或滯后π/2；

31、響應(yīng)幅值檢出步驟：基于所述第一參考相位和第二參考相位對應(yīng)的響應(yīng)整流值獲得響應(yīng)幅值，所述響應(yīng)幅值的平方為所述第一參考相位對應(yīng)的響應(yīng)整流值的平方與所述第二參考相位對應(yīng)的響應(yīng)整流值的平方的平方和；

32、相位偏移檢出步驟：基于所述第二參考相位和第一參考相位對應(yīng)的采樣整流值和響應(yīng)整流值分別獲得采樣相位偏移量和響應(yīng)相位偏移量，所述采樣相位偏移量為所述第二參考相位和第一參考相位對應(yīng)的所述采樣整流值的采樣整流比的反正切；所述響應(yīng)相位偏移量為所述第二參考相位和第一參考相位對應(yīng)的所述響應(yīng)整流值的響應(yīng)整流比的反正切。

33、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述激勵響應(yīng)步驟還包括：

34、將激勵電流進行恒流變換生成恒定電流；

35、所述恒定電流對蓄電池進行激勵獲得脈動直流電壓信號。

36、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述高通濾波步驟和模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟之間還包括：

37、對高通濾波產(chǎn)生的內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號進行放大。

38、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述激勵響應(yīng)步驟和激勵采樣步驟之間還包括：

39、對激勵電流進行低通濾波。

40、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述內(nèi)阻檢出步驟之后還包括：

41、將蓄電池的內(nèi)阻向外傳輸。

42、在一種可能的實現(xiàn)方式中，所述內(nèi)阻檢出步驟之后還包括：

43、基于所述蓄電池的內(nèi)阻分析蓄電池的健康狀況或/和荷電狀態(tài)。

44、本發(fā)明提出了全新的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)及方法。

45、本發(fā)明所述基于數(shù)字相敏整流的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)激勵電路對激勵電流進行電壓采樣，形成內(nèi)阻響應(yīng)電壓信號的對比信號；通過高通濾波器濾除脈動直流電壓信號的直流成分，保留交流或脈動的內(nèi)阻的電壓響應(yīng)信號；通過放大器充分放大內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號后，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓采樣信號和內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為離散信號；通過數(shù)字相敏整流器以正交的兩個參考相位為起點對電壓采樣信號和內(nèi)阻電壓響應(yīng)信號進行相敏整流，在離散域完成正交調(diào)節(jié)的同時通過正交相位旋轉(zhuǎn)整流濾除相關(guān)性干擾，提高了內(nèi)阻檢出的準(zhǔn)確性和抗干擾性；校準(zhǔn)單元通過響應(yīng)幅值在偏移相位差的正交相位上的正弦分量獲得蓄電池內(nèi)阻，干擾信號的幅值變化因方向錯位被削弱，內(nèi)阻的幅值得到保留，干擾信號因相位失配被濾除，而內(nèi)阻的相位特性被保留，從而本發(fā)明能夠高準(zhǔn)確率和高抗干擾性能檢出蓄電池內(nèi)阻。

46、本發(fā)明所述基于數(shù)字相敏整流的蓄電池內(nèi)阻測量方法通過參考相位及其正交相位過相位旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)干擾信號的隨機化疊加，利用蓄電池內(nèi)阻與電壓采樣信號的相位相同的確定性特征進行內(nèi)阻提取，無需預(yù)先知道干擾的具體特性，就能夠高準(zhǔn)確率檢出內(nèi)阻信號且具有較高的抗干擾性能。