齊延興，楊雪銀，王增玉

基于STM32的蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊延興，楊雪銀，王增玉

（臨沂大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 臨沂 276005）

文章設(shè)計(jì)了一款以STM32微處理器為核心的蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，采用交流阻抗法對(duì)電池內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)測(cè)量信號(hào)微弱，易淹沒(méi)于噪聲的特點(diǎn)，應(yīng)用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)以檢出有用信息。調(diào)試和對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池內(nèi)阻的在線、快速、精準(zhǔn)測(cè)量。

STM32；蓄電池；交流阻抗法；相關(guān)檢測(cè)

1 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染的加劇，電動(dòng)汽車的保有量快速上升，蓄電池的應(yīng)用量也快速上升。蓄電池性能和使用壽命對(duì)于電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)意義重大，是制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素。電池內(nèi)阻是評(píng)價(jià)蓄電池性能的關(guān)鍵指標(biāo)，不僅能反映電池當(dāng)前荷電狀態(tài)，還能反映電池的劣化程度，并由其推斷電池的性能和壽命。因此，運(yùn)用內(nèi)阻檢測(cè)法來(lái)評(píng)價(jià)電池的性能是現(xiàn)今主要采用的方案之一[1,2]。

蓄電池內(nèi)阻測(cè)量主要有直流放電法和交流阻抗法。直流放電法必須靜態(tài)或脫機(jī)進(jìn)行，瞬間大電流放電會(huì)對(duì)電池造成較大損害。交流阻抗法是對(duì)蓄電池施加小幅值的正弦信號(hào)，通過(guò)測(cè)定其輸出響應(yīng)來(lái)推算電池內(nèi)阻。該方法可在線測(cè)量且不會(huì)對(duì)電池造成損害。其響應(yīng)信號(hào)幅值很小，需設(shè)計(jì)良好的濾波器以檢出有效信息。本文應(yīng)用交流阻抗法設(shè)計(jì)一款蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，并采用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)檢出有效信息。

2 檢測(cè)原理

交流阻抗法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，不需對(duì)電池放電，可在任何狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量。但由于蓄電池的內(nèi)阻很小，一般在幾毫歐至幾十毫歐，施加正弦激勵(lì)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)，需進(jìn)行放大后運(yùn)用相關(guān)檢測(cè)原理，測(cè)出電池兩端的交流電壓信號(hào)[3-5]。蓄電池內(nèi)阻測(cè)量和相關(guān)檢測(cè)原理如圖1所示。

根據(jù)相關(guān)檢測(cè)原理，混有噪聲的待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)經(jīng)相關(guān)運(yùn)算后，信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間相互獨(dú)立，其相關(guān)函數(shù)為零。只有信號(hào)和信號(hào)相關(guān)，且可從噪聲中檢出。再經(jīng)積分器后的輸出信號(hào)只與電池內(nèi)阻成比例。最終，經(jīng)相關(guān)檢測(cè)后，只要測(cè)出電池兩端的交流電壓值和流過(guò)的交流電流值，就可計(jì)算出電池的內(nèi)阻。

圖1 內(nèi)阻測(cè)量和相關(guān)檢測(cè)原理圖

3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)是以蓄電池為研究對(duì)象，對(duì)其施加正弦激勵(lì)后，對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大、相關(guān)處理后測(cè)量電池的內(nèi)阻，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)電池的性能做出評(píng)價(jià)。蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。其硬件電路主要包括STM32主控模塊、正弦信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)處理電路、相關(guān)檢測(cè)電路、顯示電路、通信電路等。

圖2 蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

3.1 STM32微處理器

經(jīng)相關(guān)檢測(cè)后輸出的電壓信號(hào)需進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。為滿足高精度A/D轉(zhuǎn)換的需要，本設(shè)計(jì)選用了帶有12位ADC的32位嵌入式微處理器STM32F103。

該單片機(jī)是意法半導(dǎo)體公司推出的一款超低功耗32位微處理器，工作頻率高達(dá)72MHz。片內(nèi)具有20KB的SRAM和64KB的FLASH。配備有1μs的雙12位ADC、4兆位/秒的UART、18兆位/秒的SPI、翻轉(zhuǎn)速度高達(dá)18MHz的眾多I/O。

3.2 正弦信號(hào)產(chǎn)生電路

交流阻抗法需給蓄電池施加正弦激勵(lì)信號(hào)。同時(shí)，相關(guān)檢測(cè)需要將待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相乘、積分運(yùn)算。因此，需要產(chǎn)生正弦信號(hào)和參考信號(hào)。參考信號(hào)可以是方波、三角波、正弦波等周期性信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用正弦波作為參考信號(hào)。正弦波產(chǎn)生電路選用AD公司生產(chǎn)的AD9850。這是一款采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)的直接頻率合成器，最高時(shí)鐘為125MHz。

AD9850有40位的控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制。其輸出頻率可由式1求得。

式中：f為輸出信號(hào)頻率；為參考時(shí)鐘頻率；△為32位頻率控制字。

3.3 信號(hào)處理電路

由于待測(cè)信號(hào)非常微弱，必須先進(jìn)行放大濾波再送入相關(guān)檢測(cè)器。信號(hào)處理電路如圖3所示。其由高性能儀用放大器AD620和帶通濾波器構(gòu)成。

圖3 信號(hào)處理電路

3.4 相關(guān)檢測(cè)電路

相關(guān)檢測(cè)電路采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度平衡調(diào)制器，采用靈活的換流結(jié)構(gòu)，由SiCr薄膜電阻提供出色的精度和溫度穩(wěn)定性。其信號(hào)處理由平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢波、相位檢測(cè)、正交檢波、相敏檢測(cè)、鎖定放大及方波乘法等電路構(gòu)成。

本設(shè)計(jì)采用兩片AD630構(gòu)成雙通道的相關(guān)檢測(cè)電路。相關(guān)檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 相關(guān)檢測(cè)電路圖

4 軟件設(shè)計(jì)

蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)軟件采用C語(yǔ)言編寫，采用模塊化程序設(shè)計(jì)，包括主程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程、顯示子程序、CAN通信程序等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

按文中設(shè)計(jì)方案制作的蓄電池內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，與天宇T2818蓄電池內(nèi)阻檢測(cè)儀所測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試電池為安警12V/8Ah的鉛酸蓄電池，使用時(shí)間一年左右。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 電池內(nèi)阻測(cè)量結(jié)果對(duì)比

由表中數(shù)據(jù)可以得出，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)與T2818所測(cè)得的結(jié)果基本一致，表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到了基本要求。

本文采用交流阻抗法和相關(guān)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了蓄電池內(nèi)阻的精準(zhǔn)測(cè)量，可以方便地在線、無(wú)損、快速測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，并給出蓄電池性能的評(píng)價(jià)。系統(tǒng)具有成本低、易于實(shí)現(xiàn)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 張菲菲,王俊霞.閥控鉛酸蓄電池性能檢測(cè)和監(jiān)控方案[J].電氣與能源,2020,41(1):80-83.

[2] 毛猛,楊杰.基于交流放電法的鉛酸電池的內(nèi)阻測(cè)量[J].機(jī)械與電子,2019,37(3):34-37.

[3] 李芳培,毛建國(guó).基于交流阻抗法的蓄電池內(nèi)阻測(cè)量[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）,2009,23(9):93-98.

[4] 馮建,胡俊杰.交流注入式電池內(nèi)阻測(cè)試儀電阻參數(shù)的校準(zhǔn)方法[J].計(jì)量學(xué)報(bào),2020,41(5):593-596.

[5] 朱曉莉,厲霞.基于AD630的雙相鎖相放大器設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù),2012,41(6):19-23.

Design of Battery Internal Resistance Measurement System Based on STM32

Qi Yanxing, Yang Xueyin, Wang Zengyu

( School of Automation and Electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

In this paper, a battery internal resistance measurement system based on STM32 microprocessor was designed. The internal resistance of the battery was measured by ac impedance method. Aiming at the characteristics of weak measurement signal and easy to be submerged in noise, correlation detection technology was applied to detect useful information. The experimental data show that the system can measure the internal resistance of the battery online, quickly and accurately.

STM32; Storage battery; AC impedance method; Correlation detection

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.014

U463.63+3

A

1671-7988(2021)02-41-03

U463.63+3

A

1671-7988(2021)02-41-03

齊延興，就職于臨沂大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院。