基于ARM的鋰電池自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)國(guó)內(nèi)中小企業(yè)鋰電池生產(chǎn)測(cè)試現(xiàn)狀， 文章介紹了一種以ARM處理器為核心，利用鎖相放大技術(shù)提取微弱測(cè)試信號(hào)實(shí)現(xiàn)鋰電池電性能的自動(dòng)化測(cè)試，實(shí)踐證明該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能滿足了鋰電池生產(chǎn)的測(cè)試精度要求。

關(guān)鍵詞：鋰電池；ARM處理器；鎖相放大；自動(dòng)化測(cè)試

隨著全球環(huán)境污染和能源危機(jī)的加重，新能源和再生能源的開發(fā)應(yīng)用越來(lái)越迫切， 一場(chǎng)綠色能源科技和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的浪潮在全球掀起。鋰電池因其重量比能量高、循環(huán)性好、無(wú)記憶、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)成為新能源領(lǐng)域的熱點(diǎn)，在智能電子設(shè)備、移動(dòng)電源和電動(dòng)車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著鋰電池廣泛應(yīng)用人們對(duì)鋰電池的品質(zhì)、安全和性能的要求越來(lái)越高。鋰電池的電生能測(cè)試在鋰電池生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，因此生產(chǎn)過(guò)程中要求對(duì)鋰電池的電生能進(jìn)行檢測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中的電性能測(cè)試一般利用標(biāo)準(zhǔn)化的電阻測(cè)試表人工手動(dòng)測(cè)試，該測(cè)試方式效率較低、成本比較高，而且產(chǎn)品質(zhì)量不易管控，易出現(xiàn)漏測(cè)或誤測(cè)?；阡囯姵厣a(chǎn)測(cè)試現(xiàn)狀，文章設(shè)計(jì)了一種利用鎖相放大技術(shù)提取微弱測(cè)試信號(hào)實(shí)現(xiàn)鋰電池電性能測(cè)試的設(shè)備。

1 電性能測(cè)試分析

鋰電池內(nèi)阻包括極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，是衡量鋰電池性能的重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，鋰電池的內(nèi)阻與電壓特性、鋰電池容量、壽命和安全等密切相關(guān)，一般情況鋰電池的內(nèi)阻越小，電池電壓特性越好，電池容量越大，內(nèi)阻值的變化可以預(yù)測(cè)電池的壽命和安全性能，因此，鋰電池電池性能測(cè)試的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)就是鋰電池內(nèi)阻。基于ARM的鋰電池測(cè)試系統(tǒng)主要是通ARM處理器采集測(cè)試信號(hào)實(shí)現(xiàn)鋰電池內(nèi)阻測(cè)量。

鋰電池的內(nèi)阻受鋰電池測(cè)試所處狀態(tài)影響，如充放電狀態(tài)有差別，不同溫度下也不同，因此，鋰電池內(nèi)阻的測(cè)量是建立在鋰電池阻抗等效模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在低頻領(lǐng)域鋰電池內(nèi)阻等效模型可以簡(jiǎn)化為如圖1所示，R1為歐姆電阻，R2為極化電阻，C1為極化電容，極化電容的大小與鋰電池的容量相關(guān)。鋰電池充電狀態(tài)下的內(nèi)阻是指電池完全充滿電后內(nèi)阻值，穩(wěn)定性相對(duì)較好，其測(cè)量值具有實(shí)際參考意義，因此，文章設(shè)計(jì)的鋰電池測(cè)試系統(tǒng)就是對(duì)鋰電池充電狀態(tài)下內(nèi)阻的檢測(cè)。鋰電池的內(nèi)阻非常微小是mΩ級(jí)別，而且鋰電池不同于一般的電阻元件，是有源元件不能直接測(cè)量，文章鋰電池內(nèi)阻的檢測(cè)采用交流注入法測(cè)量。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該測(cè)試系統(tǒng)可以分上料和測(cè)試下料兩個(gè)部分。上料部分通過(guò)2個(gè)直線氣缸、1個(gè)旋轉(zhuǎn)氣缸和1個(gè)真空吸盤來(lái)實(shí)現(xiàn)電芯的取和放；下料部分通過(guò)2個(gè)直線氣缸和1個(gè)真空吸盤來(lái)實(shí)現(xiàn)電芯的取和放。該測(cè)試系統(tǒng)利用鎖相放大技術(shù)通過(guò)ARM單片機(jī)實(shí)現(xiàn)鋰電池內(nèi)阻的測(cè)量、分析、顯示與控制。整個(gè)系統(tǒng)的控制圖如圖2所示。

該系統(tǒng)的核心控制器是三星公司的S3C2410芯片，主頻高達(dá)203MHz，117個(gè)通用I/O 口、4 通道帶PWM 的定時(shí)器、8 通道10 位ADC等。芯片的高集成度簡(jiǎn)化了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為了方便開發(fā)該系統(tǒng)還移植了Linux 操作系統(tǒng)， 不僅簡(jiǎn)化了控制軟件的設(shè)計(jì)， 而且在多任務(wù)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下可提高CPU 的利用率，提高生產(chǎn)效率。

2.2 鎖相放大器原理與設(shè)計(jì)

鎖相放大器利用相關(guān)檢測(cè)算法不僅能像選頻放大器那樣利用信號(hào)的頻率特性， 還能利用信號(hào)的相位特點(diǎn)“鎖定”被測(cè)信號(hào)的相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)和放大。鎖相放大技術(shù)能夠有效地抑制干擾和噪聲，在微弱信號(hào)測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鎖相放大器基本原理圖如圖3所示，包括兩個(gè)信號(hào)輸入通道、移相器、相敏檢測(cè)器和低通濾波器等。微弱信號(hào)通過(guò)放大濾波， 濾掉一部分的干擾和噪聲，使其達(dá)到相敏檢波器檢測(cè)工作的電平；參考信號(hào)通過(guò)整形移相后送入相敏檢波器。兩個(gè)信號(hào)在相敏檢波器中做乘法運(yùn)算，然后輸出混頻信號(hào)；混頻信號(hào)通過(guò)低通濾波器得到放大后的輸入信號(hào)。

2.3 鋰電池內(nèi)阻測(cè)試電路

采用交流注入法測(cè)量鋰電池內(nèi)阻模塊由低頻交流信號(hào)源、帶通濾波器、放大電路、鎖相器和低通濾波電路組成， 鋰電池內(nèi)阻測(cè)試框圖如圖4所示。由于鋰電池內(nèi)阻很小測(cè)量時(shí)將驅(qū)動(dòng)電流回路和感應(yīng)電壓電路分開，采用四線法測(cè)量。低頻交流信號(hào)源利用ARM單片機(jī)內(nèi)部DAC模塊輸出低頻信號(hào)通過(guò)電流放大后獲得，作為鋰電池內(nèi)阻測(cè)試的激勵(lì)電信號(hào)。激勵(lì)電信號(hào)鋰電池所產(chǎn)生的電壓響應(yīng)信號(hào)十分微弱，需要進(jìn)行前置放大和濾波后才能輸入相關(guān)器。該系統(tǒng)采用AD公司的AD630作為乘法器來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)檢測(cè)， AD630高精度平衡調(diào)制器可應(yīng)用在方波乘法、平衡調(diào)制解調(diào)、正交檢波、相位檢測(cè)、相敏檢測(cè)、同步檢測(cè)、鎖定放大等方面。AD630內(nèi)部電阻具有高穩(wěn)定性，確保了電阻測(cè)量的精確性和穩(wěn)定性。AD630輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波后ARM微處理器的AD轉(zhuǎn)換器采樣，最后通過(guò)計(jì)算可以得到鋰電池的內(nèi)阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先將操作系統(tǒng)Linux移植到ARM微處理器的平臺(tái)上。應(yīng)用軟件在移植了操作系統(tǒng)Linux平臺(tái)上設(shè)計(jì)。操作系統(tǒng)Linux對(duì)整個(gè)ARM應(yīng)用系統(tǒng)硬件進(jìn)行資源管理，通過(guò)操作系統(tǒng)配置應(yīng)用程序接口。鋰電池自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。該應(yīng)用軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、繼電器控制模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息顯示模塊等。系統(tǒng)上電后進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，等待測(cè)試開始信號(hào)，測(cè)試信號(hào)觸發(fā)后程序調(diào)用繼電器控制模塊實(shí)現(xiàn)鋰電池自動(dòng)放置到測(cè)試位，然后啟動(dòng)DA模塊和AD模塊對(duì)鋰電池進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，ARM單片機(jī)采集數(shù)據(jù)后分析處理得出鋰電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)比較判定測(cè)試結(jié)果，最后把測(cè)試顯示到人機(jī)界面上。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)的基于ARM的鋰電池自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋰電池內(nèi)阻的自動(dòng)化測(cè)試，測(cè)試精度和速度可以滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，而且大大提高了鋰電池生產(chǎn)效率和信息化水平，對(duì)于提高鋰電池自動(dòng)化測(cè)試水平有重要意義。系統(tǒng)也可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他種類的電阻性能檢測(cè)。

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作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)松峰（1979-），男，漢，河南商丘，講師/工程師，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制。