微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量方法

李楊鋒，葛俊鋒，葉 林，陳朝輝

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074)

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微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量方法

李楊鋒，葛俊鋒，葉 林，陳朝輝

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北武漢 430074)

針對(duì)目前微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量存在的不足，設(shè)計(jì)了一套實(shí)用的微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用四引線連接法，將1kHz的交流信號(hào)注入電池，再將電池兩端產(chǎn)生的微弱信號(hào)通過(guò)差分放大、帶通濾波，有效值轉(zhuǎn)換等技術(shù)，有效地抑制了噪聲和干擾，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地應(yīng)用于微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

微歐級(jí)；蓄電池內(nèi)阻；交流注入；有效值轉(zhuǎn)換

0 引言

蓄電池內(nèi)阻是體現(xiàn)電池性能的重要參數(shù)之一，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，蓄電池容量和健康狀態(tài)與內(nèi)阻有著密切的關(guān)系[1]，因此通過(guò)內(nèi)阻的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)是目前公認(rèn)的蓄電池維護(hù)的最佳方案之一[2]。蓄電池的內(nèi)阻一般都很小，只有幾十μΩ甚至幾mΩ，用直流放電法測(cè)量?jī)?nèi)阻速度慢，且不能在線測(cè)量。用交流注入法測(cè)量的信號(hào)很微弱，容易被充電器以及環(huán)境中的噪聲所淹沒(méi)，因此如何有效地抑制噪聲也就成了蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)用鎖相放大器可以實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量，但是，鎖相放大器使用復(fù)雜，而且使用鎖相放大方法測(cè)量時(shí)，電池本身的電容對(duì)注入交流信號(hào)的相位有顯著影響，測(cè)量結(jié)果誤差較大[3]。文中利用差分放大、帶通濾波、有效值提取等技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地應(yīng)用于微歐級(jí)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

1 測(cè)量原理

蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的基本原理如圖1所示。當(dāng)信號(hào)源給電池注入一個(gè)交流電流信號(hào)時(shí)，測(cè)量出在電池兩端和標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)，就可計(jì)算出電池的內(nèi)阻r

r=R·Vr/Vm

(1)

式中：Vr為電池兩端交流電壓信號(hào)的有效值；Vm為標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端交流電壓信號(hào)的有效值；R為標(biāo)準(zhǔn)電阻阻值。

采用交流法測(cè)量電池內(nèi)阻，不需要對(duì)電池進(jìn)行放電，理論上電池在任何狀態(tài)下都能實(shí)施測(cè)量。

圖1 基本測(cè)量原理圖

在實(shí)際測(cè)量中，由于蓄電池的內(nèi)阻在μΩ或mΩ，注入1 kHz的交流電流后，在電池兩端產(chǎn)生的電壓信號(hào)非常微弱，往往被噪聲淹沒(méi)。因此，首先要經(jīng)過(guò)高通濾波電路，消除電池兩端直流電壓的影響，然后通過(guò)差分放大，及帶通濾波，只保留1 kHz的有用信號(hào)，最后使用交流有效值轉(zhuǎn)換芯片得到蓄電池兩端交流電壓信號(hào)的有效值。

2 測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

依據(jù)上述原理所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由前置濾波、差分放大、帶通濾波器、AD8436有效值提取、A/D轉(zhuǎn)換、ARM控制系統(tǒng)以及外部顯示通訊等組成。由于蓄電池的內(nèi)阻很小，故必須降低導(dǎo)線阻抗和接觸電阻對(duì)電池內(nèi)阻的影響，因此采用4引線連接法。系統(tǒng)輸出的交流恒流信號(hào)接到電池和標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端，再將電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)輸入前置濾波電路。標(biāo)準(zhǔn)電阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)直接接入差分放大電路進(jìn)行測(cè)量。A/D采集到的信號(hào)送入ARM系統(tǒng)中，利用式(1)計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

2．1 電源選擇

由于測(cè)量的有用信號(hào)非常微弱，外部的干擾對(duì)信號(hào)的影響也會(huì)很大，電源紋波大小對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確程度密切相關(guān)。起初使用普通開(kāi)關(guān)電源，測(cè)試結(jié)果波動(dòng)較大，測(cè)量電源紋波峰峰值達(dá)到了200 mV，也就是最后測(cè)量電壓會(huì)在±0．1V范圍內(nèi)波動(dòng)，如果測(cè)量結(jié)果在2V左右，那就會(huì)產(chǎn)生5%的誤差，這

個(gè)結(jié)果并不能滿足測(cè)試要求。后來(lái)選用了線性電源模塊，紋波峰峰值降低到10 mV左右，測(cè)量結(jié)果波動(dòng)明顯減小，測(cè)量準(zhǔn)確性得到了保證。

2．2 放大濾波電路

由于采集到的信號(hào)非常微弱，所以必須先進(jìn)行前級(jí)放大濾波再輸入有效值轉(zhuǎn)換電路中。如圖3所示，電路由3個(gè)部分，高通濾波、差分放大和帶通濾波器組成。

圖3 放大濾波電路原理圖

高通濾波電路主要是防止蓄電池本身的直流電壓對(duì)測(cè)量電路造成影響，而需要通過(guò)的有用信號(hào)的頻率是1 kHz，所以下限頻率fL應(yīng)小于1 kHz．設(shè)計(jì)中，高通濾波電路取R=1 MΩ，C=0．01 μF，符合設(shè)計(jì)要求。

差分放大使用AD8221，這是一款增益可編程、高性能儀表放大器，具有相對(duì)于頻率的最高共模抑制比(CMRR)性能，其放大倍數(shù)由1腳和8腳之間的電阻RG決定，G= 1+ (49．4 kΩ/RG)。信號(hào)經(jīng)過(guò)其放大后，通過(guò)帶通濾波器檢測(cè)出1 kHz的帶通信號(hào)，輸送到AD8436輸入端；RG利用模擬開(kāi)關(guān)CD4052進(jìn)行選擇，通過(guò)AD芯片的數(shù)字輸出信號(hào)選擇電阻，從而控制放大倍數(shù)，使信號(hào)在最佳A/D采集電壓范圍內(nèi)。如果差分放大結(jié)果還不能滿足測(cè)量要求，可以再接1個(gè)二級(jí)放大電路，使測(cè)量信號(hào)進(jìn)一步放大。

帶通濾波器使用的是1個(gè)無(wú)限增益多路反饋型濾波電路，由1個(gè)理論上具有無(wú)限增益運(yùn)算放大器賦以多路反饋構(gòu)成的濾波電路，帶通濾波器中心頻率應(yīng)該在1 kHz左右。

2．3 有效值轉(zhuǎn)換電路

RMS(Root Mean Square)定義為：任何波形的峰值平方和的平均值的平方根。RMS用公式(2)來(lái)表示

(2)

交流電壓波形的RMS值等于在負(fù)載上產(chǎn)生相同熱功率的直流電壓。測(cè)量波形的有效值就可以反應(yīng)出交流信號(hào)的峰峰值的大小，避免了其他測(cè)量方法中，正弦波信號(hào)相位變化而影響測(cè)量結(jié)果的情況。

AD8436是新一代精密跨導(dǎo)線性、低功耗、真RMS-TO-DC轉(zhuǎn)換器單片系統(tǒng)[4]。它可以精確計(jì)算交流波形RMS值的直流等效值，可確?！堋?．5%的精度以及≤10 μV的輸出失調(diào)。內(nèi)置的高阻抗FET 緩沖提供了一個(gè)接口，可用于外部衰減器、頻率補(bǔ)償或驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載。AD8436具有低功耗精密輸入緩沖，適合便攜式萬(wàn)用表和其他電池供電應(yīng)用。

取波峰因數(shù)電容CCF=0．1 μF，波峰因數(shù)誤差小于0．5%。由于消除了內(nèi)部偏置電流，驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載時(shí)，精密直流輸出緩沖器可提供極低的失調(diào)電壓，將誤差降至最小。

圖4 AD8436典型應(yīng)用電路

AD8436典型應(yīng)用電路如圖4所示。帶通濾波器輸出的1 kHz正弦波接入AD8436的FET輸入緩沖器，其失調(diào)電壓小于等于500 μV.引腳IBUFOUT、IBUFIN-和IBUFIN+ 是I/O，引腳IBUFV+ 將電源連接到緩沖器。將引腳IBUFV+ 連接到正電源，負(fù)電源是在內(nèi)部連接。由于輸入級(jí)是FET，輸入阻抗必須非常高以防止向信號(hào)源提供負(fù)載，因此在引腳IGND(中間電源電壓)與引腳IBUFIN+之間連接一個(gè)大值(10 MΩ)電阻，以防輸入級(jí)浮空為高電平。 對(duì)于單位增益，應(yīng)將IBUFOUT引腳連接到IBUFIN-引腳。在緩沖器輸出引腳(IBUFOUT)與RMS引腳之間連接一個(gè)電容，以便消除輸入緩沖器失調(diào)電壓產(chǎn)生的誤差，工作頻率為1 kHz，電容值取10 μF使誤差最小。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 差分放大結(jié)果分析

差分放大要求為100倍，根據(jù) AD8221中RG計(jì)算公式RG= 49．4 kΩ/(G-1)計(jì)算出RG為499 Ω．在此對(duì)電容誤差為±5%，電阻誤差為±1%的放大電路使用OrCAD軟件進(jìn)行仿真，如圖5所示。

圖5 差分放大波形圖

Vi為輸入信號(hào)，Vo為經(jīng)過(guò)AD8221放大后的輸出信號(hào)，輸入信號(hào)有效值為7．07 mV，輸出為0．708 V，實(shí)現(xiàn)了精確穩(wěn)定的放大。

3．2 帶通濾波結(jié)果分析

采用多路反饋二階帶通濾波電路，如圖3中U3級(jí)所示，使用OrCAD軟件對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行仿真[5]，選出帶通范圍在1 kHz左右，性能較好的一組參數(shù)：C1=C11=10 nF，R5=250 kΩ，R7=100 kΩ，R10=1 kΩ．其頻率特性如圖6所示。

圖6 帶通濾波頻率特性曲線

當(dāng)增益為-3 dB時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻率為914 Hz和1 094 Hz.通帶很窄，可以有效濾除噪聲信號(hào)，得到1 kHz的有用信號(hào)。

3．3 有效值轉(zhuǎn)換結(jié)果分析

按照AD8436使用要求連接好電路，實(shí)現(xiàn)有效值轉(zhuǎn)換如圖7所示，通道2為輸入信號(hào)，通道1為輸出信號(hào)，輸入信號(hào)為1 k Hz的正弦波信號(hào)，輸出信號(hào)為有效值轉(zhuǎn)換的結(jié)果。

圖7 有效值轉(zhuǎn)換波形

將濾波后的結(jié)果輸入AD8436，得到其有效值信號(hào)，由于直接進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換，蓄電池內(nèi)部電容對(duì)正弦波相位的影響可以忽略。該設(shè)計(jì)很好地抑制了噪聲和其他干擾，在內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)中可很好地將所需信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。

3．4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

按照文中的方案，設(shè)計(jì)制作了一套鉛酸蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，并與日置HIOKI3554蓄電池內(nèi)阻測(cè)試儀所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。測(cè)試蓄電池為使用一年左右的2 V，170 Ah豐日鉛酸蓄電池，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1的測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)與日置HIOKI3554的測(cè)量結(jié)果基本吻合，且性能接近。兩種測(cè)量方法測(cè)得的結(jié)果之間的系統(tǒng)誤差是由測(cè)量方法及參數(shù)的不同引起的，但并不影響對(duì)蓄電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

表1 蓄電池內(nèi)阻測(cè)試對(duì)比結(jié)果 μΩ

4 結(jié)束語(yǔ)

文中采用交流注入激勵(lì)，差分放大，帶通濾波及真有效值檢測(cè)等方法實(shí)現(xiàn)了微歐級(jí)鉛酸蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。該方法能夠在不影響蓄電池性能及使用的情況下快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出內(nèi)阻，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，可以滿足蓄電池容量及健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)中對(duì)蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的需求，對(duì)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)意義重大。

[1] 桂長(zhǎng)清，柳瑞華．密封鉛酸蓄電池內(nèi)阻分析．電池，2000(1)：19-21．

[2] SATIO S，F(xiàn)UKAYA K．Development and field experience of monitoring system for valve regulated lead-acid batteries in stationary applications.Journal of Power Sources，2006(158)：1166-1172．

[3] 曾慶勇．微弱信號(hào)檢測(cè)．第二版．浙江大學(xué)出版社，2004 ：53-74．

[4] Analog Devices．AD8436 datasheet．2011．

[5] 魯世斌，陳軍寧，柯導(dǎo)明．基于OrCAD/PSpice10．5的電子電路仿真．電腦知識(shí)與技術(shù)(學(xué)術(shù)交流)，2006(3)：108-110．

作者簡(jiǎn)介：李楊鋒(1989—)，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軆x器儀表研究和開(kāi)發(fā)。E-mail：lyf877@126.com

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《儀表技術(shù)與傳感器》雜志

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Measuring Method about Microhm Internal Resistance of Lead-acid Battery

LI Yang-feng，GE Jun-feng，YE Lin，CHEN Chao-hui

(School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，430074)

A practical microhm internal resistance of lead-acid battery measuring system was designed as a result of the deficiencies in this field. The system was connected by four-wire method and the AC signal of 1kHz was injected into the lead-acid battery, then the weak signals generated at both ends of the battery was amplified, filtered and transformed to RMS. The system effectively suppressed noise and disturbance, and simplified design, which achieved the measurement of microhm internal resistance of lead-acid battery. The experiments show that the system can be effectively used in the measurement of microhm internal resistance of lead-acid battery, and the measurement results are stable and reliable.

microhm；battery internal resistance；AC injection；RMS conversion

王美林(1986—)，碩士研究生，研究方向：動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。E-mail:598846794 @qq.com 李新娥(1971—)，教授，博士，研究方向：測(cè)試計(jì)量技術(shù)及儀器。E-mail:xine.li@souhu.com

2013-11-12 收修改稿日期：2014-11-10

TH89

A

1002-1841(2015)01-0101-03