相敏檢波器PSD在電池內(nèi)阻測(cè)試中的運(yùn)用

丁常坤 鄭彥樸 楊炯

摘 ?要：電池內(nèi)阻的測(cè)試，主要是利用一組交流信號(hào)通過(guò)待測(cè)電池，提取出電池兩端的交流信號(hào)幅值，利用電子開(kāi)關(guān)鑒相器對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行矢量分離，最終得出所測(cè)的電阻值。很多場(chǎng)合對(duì)于電池內(nèi)阻的測(cè)試有較高的精度要求。不同的電池，其內(nèi)部的阻值也不一樣，有幾mΩ至十幾kΩ的跨度，所以在這個(gè)范圍內(nèi)，均要實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻的有效測(cè)試。利用PSD技術(shù)高信噪比的測(cè)試特點(diǎn)，能很好地實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的檢測(cè)，因而能很好地實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻的測(cè)試。

關(guān)鍵詞：電池內(nèi)阻;交流測(cè)試;鑒相器;矢量分離

中圖分類號(hào)：TM934.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）16-0031-03

Abstract：The test of battery internal resistance is mainly to use a group of ac signals through the battery to be tested，take out the AC signal amplitude at both ends of the battery，use electronic switch phase detector to conduct vector separation of the test signal，and finally get the measured resistance value. In many cases，high accuracy is required for the measurement of battery internal resistance. Different battery，its internal resistance is also different，spans ranging from several mΩ to more than ten kΩ，so in this range，to achieve the effective test battery internal resistance. Using PSD technology，its high signal-to-noise ratio test characteristics，can well achieve weak signal detection，so it can well achieve the battery resistance test.

Keywords：battery internal resistance;communication test;phase discriminator;vector separation

0 ?引 ?言

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活的進(jìn)步，越來(lái)越多的移動(dòng)式、便攜式電子設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，這些電子設(shè)備的均使用電池供電，因此，評(píng)估電池的質(zhì)量顯得格外重要。經(jīng)過(guò)一系列的分析與驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)電池的內(nèi)阻阻值能很好地體現(xiàn)電池的容量和穩(wěn)定性，所以對(duì)電池的檢測(cè)，需要能準(zhǔn)確地測(cè)試電池的內(nèi)阻。

電池內(nèi)阻的測(cè)試，剛開(kāi)始時(shí)，采用的是直流放電法，具體操作就是給電池增加不同的負(fù)載，檢測(cè)電池輸出至負(fù)載的電流和電壓，根據(jù)不同負(fù)載的電流與兩端的電壓，進(jìn)而計(jì)算出電池的內(nèi)阻阻值。這種方式測(cè)試得到的內(nèi)阻值比較可靠，但存在一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題：在測(cè)試過(guò)程中，電池的能量會(huì)被消耗，多測(cè)試幾次會(huì)導(dǎo)致電池?fù)p耗較大。

隨著時(shí)代的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)可以給電池注入一個(gè)1kHz的微弱電流信號(hào)，檢測(cè)電池兩端1kHz的電壓信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算出電池的內(nèi)阻值。這種方式的關(guān)鍵在于檢測(cè)1kHz的微弱電壓信號(hào)值，因?yàn)殡姵乇旧砭哂须妷褐?，因此在交流電壓信?hào)的檢測(cè)方面會(huì)出現(xiàn)一些困難，此時(shí)，PSD技術(shù)的運(yùn)用很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，運(yùn)用PSD技術(shù)能準(zhǔn)確地分辨出1kHz的電壓信號(hào)，從而精確地測(cè)量出電池的內(nèi)阻。這種方式可靠、穩(wěn)定，現(xiàn)在幾乎均采用這種方式。

1 ?相敏檢波器（PSD）電池內(nèi)阻測(cè)試原理

1.1 ?電池內(nèi)阻模型

電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻兩部分，如圖1所示。

歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液等的接觸電阻組成。極化電阻是指電池的電極進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)、電解液中離子遷移時(shí)，在維持電池正負(fù)極的過(guò)程中所引起的內(nèi)阻。電池的工作電流很小時(shí)，引起的電池極化現(xiàn)象基本可以忽略，電池內(nèi)阻等效于歐姆內(nèi)阻。工作電流大時(shí)，會(huì)引起電池的電化學(xué)極化和濃差極化，這兩項(xiàng)引起的內(nèi)阻值，基本相當(dāng)于歐姆內(nèi)阻，甚至可能會(huì)大數(shù)倍[1]。

1.2 ?交流注入法

交流注入法通過(guò)對(duì)電池注入一個(gè)恒定的交流電流信號(hào)Is（目前一般使用1kHz頻率、50mA小電流），測(cè)量出電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)Vo以及兩者的相位差θ，通過(guò)阻抗計(jì)算公式Z=Vo/Is、R=Z*cosθ，最后計(jì)算出電池內(nèi)阻阻值。該方法不需對(duì)電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現(xiàn)安全在線檢測(cè)電池內(nèi)阻，不會(huì)對(duì)電池的性能造成影響。實(shí)際中由于該方法需要測(cè)量交流電流信號(hào)Is、電壓響應(yīng)信號(hào)Vo以及電壓和電流之間的相位差θ，并且信號(hào)微弱、干擾因素多，因此通常使用下面的方案提高測(cè)量精度[2]。

在電池內(nèi)阻的測(cè)試中，將微弱電流源注入至電池中，將電池看作一個(gè)阻抗元件，取電池兩端的微弱電壓信號(hào)，因?yàn)樽⑷氲碾娏餍盘?hào)很小，所以不會(huì)影響電池的穩(wěn)定性。PSD技術(shù)主要是用在電壓信號(hào)的取樣電路上。所謂PSD技術(shù)如下文所述。

1.3 ?運(yùn)放式開(kāi)關(guān)相敏檢波器

現(xiàn)有技術(shù)主要的測(cè)試結(jié)果，最能體現(xiàn)穩(wěn)定性和精確性直接的反應(yīng)是測(cè)試結(jié)果分辨率。

研究表明，采用鎖相放大技術(shù)可以有效地抑制干擾和噪聲，使電池內(nèi)阻測(cè)量變得非常精確，且測(cè)量速度快、成本低，由于無(wú)需放電，施加的交流電很小，可以實(shí)現(xiàn)完全的在線監(jiān)測(cè)管理，避免了系統(tǒng)運(yùn)行安全性的影響。經(jīng)過(guò)測(cè)量驗(yàn)證，采用電子開(kāi)關(guān)式相敏檢波器測(cè)試方法，可以將測(cè)試結(jié)果分辨率提高到0.1μΩ[2]。

電子開(kāi)關(guān)式相敏檢波器測(cè)試原理如圖2所示，利用反相和同相放大器分別對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大，放大倍數(shù)均為1，從而得到f（s）和-f（s）兩路信號(hào)。根據(jù)fR移相后的電平高低控制電子開(kāi)關(guān)的接通位置，實(shí)現(xiàn)與方波相乘的過(guò)程[3]。

在實(shí)際實(shí)現(xiàn)電子開(kāi)關(guān)式相敏檢波器測(cè)試方法的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)測(cè)試造成最大影響fR與fS的相位差，理論上測(cè)標(biāo)準(zhǔn)電阻時(shí)，fR與fS的相位差為零。要想達(dá)到這種效果，關(guān)鍵是fS的產(chǎn)生，傳統(tǒng)上為了保持fS與fR頻率的一致性，通常fR是由fS整型成方波產(chǎn)生，但這種方法有個(gè)不可避免的缺點(diǎn)：fS經(jīng)過(guò)調(diào)理電路之后，無(wú)法保證fR與fS的相位差為0°，而且批量生產(chǎn)時(shí)，產(chǎn)品的一致性受使用模擬器件的影響很大，最主要的是無(wú)法測(cè)量電池內(nèi)阻的阻抗值，無(wú)法測(cè)得電池內(nèi)阻抗對(duì)信號(hào)的相移，這樣也會(huì)對(duì)測(cè)量的實(shí)際值造成偏差。所以對(duì)于fR與fS的相位需要著重考慮與處理，這關(guān)系到整個(gè)測(cè)試結(jié)果的精度。

2 ?設(shè)計(jì)方案

電池內(nèi)阻的測(cè)試原理框圖如圖3所示，主要分為三個(gè)部分：測(cè)試信號(hào)源、信號(hào)采集電路、過(guò)載檢測(cè)電路。

測(cè)試信號(hào)源輸出電路：主要是利用DAC輸出1kHz的正弦波信號(hào)，通過(guò)一個(gè)功放增加電路的輸出驅(qū)動(dòng)能力，以滿足后續(xù)電測(cè)內(nèi)阻的測(cè)試要求，最大需要輸出100mArms的電流。

信號(hào)采集電路模塊：主要是檢測(cè)測(cè)試源輸出的測(cè)試信號(hào)，通過(guò)隔直電容將直流信號(hào)濾除，經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路模塊，有兩個(gè)放大倍數(shù)選擇：5倍和50倍，之后經(jīng)過(guò)1kHz為中心頻率，100Hz通帶的帶通濾波器，濾除高頻和低頻噪聲，提取出1kHz的測(cè)試信號(hào)，再經(jīng)過(guò)PSD檢波器，將PSD輸出的信號(hào)輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中，進(jìn)行采樣處理數(shù)據(jù)計(jì)算，最終結(jié)合測(cè)試電流的大小，獲得電池直流電阻的測(cè)試信息。

過(guò)載檢測(cè)電路模塊：包括源輸出端電壓檢測(cè)，判斷源輸出的信號(hào)幅值是否超過(guò)額定值;另一路過(guò)載檢測(cè)的電路，是在隔直電容輸出之后和經(jīng)過(guò)放大電路模塊之后，檢測(cè)獲取的測(cè)試信號(hào)幅值是否超過(guò)最大值，如果超過(guò)規(guī)定值，則需要切換電流采樣電阻，減小采樣電流;最后一路檢測(cè)是斷路檢測(cè)，即檢測(cè)測(cè)試線是否斷開(kāi)，這路由2kHz的微電流源輸出的斷路檢測(cè)信號(hào)，在經(jīng)過(guò)電池之后，提取電池兩端的信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路模塊和以2kHz為中心頻率、通帶為100Hz的帶通濾波器（BPF）之后，經(jīng)過(guò)PSD檢測(cè)，最終輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF），轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，再通過(guò)比較器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入到MCU中，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 ?結(jié) ?論

整體的電池內(nèi)阻測(cè)試儀的模擬電路如上文所述。電池內(nèi)阻可以表征一個(gè)電池的存儲(chǔ)電量，電池電量處于不同的狀態(tài)，它的內(nèi)阻值也處于不一樣的狀態(tài)。

電池內(nèi)阻的測(cè)試，主要涉及的領(lǐng)域是微弱信號(hào)檢測(cè)，因此，主要采取的方案是利用相關(guān)檢測(cè)的方式，先對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，經(jīng)過(guò)放大處理之后，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。通過(guò)這種方式提高整體電路的信噪比。電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵之處在于Sigma-Delta ADC的濾波效果，是否能提取出所需的微弱信號(hào)，還有整體信號(hào)的測(cè)量電路的相移，需要精確校正，以滿足修正作用。本文所采用的是電子開(kāi)關(guān)式相敏檢波器，這種方式，沒(méi)有模擬乘法器產(chǎn)生的非線性問(wèn)題，動(dòng)態(tài)范圍大、抗過(guò)載能力強(qiáng)。此外，開(kāi)關(guān)式相敏檢波器電路簡(jiǎn)單，運(yùn)行速度快，有利于降低成本和提高系統(tǒng)的工作速度，這些優(yōu)點(diǎn)，使開(kāi)關(guān)式相敏檢波器得到了廣泛的運(yùn)用。

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作者簡(jiǎn)介：丁常坤（1992.12-），男，漢族，江西贛州人，硬件工程師，本科，研究方向：儀器測(cè)量研究。