交流測(cè)量法的便攜式電池內(nèi)阻測(cè)試儀

1、基于交流測(cè)量法的便攜式電池內(nèi)阻測(cè)試儀的研制2008年07月23日 作者：李革臣 李金錄 古艷磊 來源：中國(guó)電源博覽第90期 編輯：李遠(yuǎn)芳摘要：電池的內(nèi)阻是評(píng)價(jià)電池性能的一個(gè)重要的參考性指標(biāo)。本文分析和比較了電池內(nèi)阻兩種檢測(cè) 方法的原理和特點(diǎn)，采用交流注入法測(cè)量電池內(nèi)阻，并闡述了其測(cè)量原理。使用超低功耗微處理器MSP430，設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的便攜式內(nèi)阻測(cè)試儀，詳細(xì)分析了 低功耗系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，該儀器的功耗達(dá)到了實(shí)用性，精度較好地滿足了電池的內(nèi)阻測(cè)試要求。關(guān)鍵詞：MSP430單片機(jī)；便攜式；內(nèi)阻測(cè)試；低功耗Abstract: The battery internal resistan

2、ce is an important reference parameter to evaluate the health of battery. Two kinds of detect theories about the internal resistance of the battery are analyzed and the features of these two kinds of detect methods are compared. The method of AC exchange injection is used to measure the resistance o

3、f battery and the principle of measurement is explained. MSP430F449 ultra-low-power microprocessor is used to design the practical portable resistance testing equipment, and the low-power system design of hardware and software is analyzed. The results show that the instrument is appropriate for test

4、ing the internal impedance of Ni-MH and Li-ion battery. Key words: MSP430; portable; resistance testing; low-power電池的內(nèi)阻是電池的重要參數(shù)，它不僅反映電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)(SOC)，而且反映電池的劣化程度(SOH)。目前電池的內(nèi)阻檢測(cè)是采用電化學(xué)交流阻抗 法，其疊加的交流信號(hào)頻率范圍為1kHz。傳統(tǒng)的電池內(nèi)阻測(cè)試一般都是用交流電供電，設(shè)備笨重不易攜帶，無法滿足一些特殊場(chǎng)合的應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一種基于 超低功耗MSP430單片機(jī)的低功耗的便攜式內(nèi)阻測(cè)試儀，滿足了工程實(shí)際應(yīng)用的需要。1

5、設(shè)計(jì)原理的選擇測(cè)量電池的內(nèi)阻，應(yīng)用的最廣泛的兩種方法是直流放電法和交流注入法。 直流放電法是由電池組產(chǎn)生一個(gè)瞬間負(fù)載電流，然后測(cè)出電極柱上電壓的瞬間負(fù)載電流，然后測(cè)出電池在接通了負(fù)載后幾秒鐘內(nèi)電池端電壓和流過電池電流發(fā)生的變化。通過負(fù)載接通時(shí)的瞬間電壓降和斷開負(fù)載時(shí)的瞬間電壓恢復(fù)便可以推導(dǎo)出電池的直流內(nèi)阻。交流注入法是用一個(gè)交流源注入幾十毫安的電流到電池內(nèi)部，然后測(cè)出電池極柱上的響應(yīng)，通過歐姆定律計(jì)算得到電池阻抗1。從上面兩種方法的介紹可以知道，直流放電法需要在瞬間讓電池放出幾十安培的電流，因此需要較大的負(fù)載，瞬間發(fā)熱十分可觀，不易設(shè)計(jì)成便攜式儀表；而交流 注入法無需放電負(fù)載，電流小，容易做到

6、體積小、省電、便攜。交流注入法的主要缺點(diǎn)是在注入電流較小的情況下，響應(yīng)會(huì)十分微弱，容易被噪聲干擾。但應(yīng)用放大 器和有源濾波器完全可以準(zhǔn)確測(cè)得電池兩端的響應(yīng)。經(jīng)過綜合考慮，本文選擇用交流注入法來實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻測(cè)試。2 測(cè)量原理圖1.硬件結(jié)構(gòu)框圖電池內(nèi)阻測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)施加給電池的激勵(lì)源信號(hào)為正弦交流信號(hào)i(t)時(shí)，設(shè)其中： 為幅值, 為角頻率， 為初相角。電池電壓的響應(yīng)信號(hào)為：其中：U為響應(yīng)振幅，為角頻率，u為初相角，N(t)為噪聲信號(hào)。 參考信號(hào)為電流經(jīng)限流電阻 分壓所得，其值為：兩者的相關(guān)函數(shù)為：由于噪聲信號(hào) 和參考信號(hào) 互不相關(guān)，則 ，則有則電池的內(nèi)阻為：在實(shí)際應(yīng)用中,相關(guān)函數(shù)運(yùn)算

7、由鎖相放大器實(shí)現(xiàn)。測(cè)量時(shí),通過使用標(biāo)準(zhǔn)電阻替代電池（激勵(lì)源電流值，頻率保持不變）進(jìn)行同樣的測(cè)試，可以求出待定系數(shù) ：所以電池的內(nèi)阻 為：其中： 為已知阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻。都可通過AD轉(zhuǎn)換器得到。綜上所述，電池的內(nèi)阻是可測(cè)量的。3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由圖1可知激勵(lì)源提供注入電池的交變微弱電流信號(hào)，交流差分電路起到隔離直流分量作用，并把電池的響應(yīng)信號(hào) 適當(dāng)放大。鎖相放大電路是系統(tǒng)的核心之一，它的主要作用是從噪聲干擾中提取有用的微弱信號(hào)，即電池的響應(yīng)信號(hào)。MSP430單片機(jī)負(fù)責(zé)采樣、數(shù)據(jù)處理、電 源管理及液晶顯示值輸出。MSP430單片機(jī)，擁有60K Flash、采樣速度為200K的12bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器和4

8、8個(gè)I/O口，完全滿足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)高精度和低功耗的要求2-4。通過上述硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了精確的內(nèi)阻測(cè)量和系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)。圖2. 激勵(lì)源原理圖圖3. AD630芯片原理圖圖4 主程序流程圖3.1激勵(lì)源模塊激勵(lì)源在實(shí)際應(yīng)用中為一個(gè)方波信號(hào)，由一個(gè)高精度、低功耗的可控基準(zhǔn)源REF192和一個(gè)電壓跟隨器組成，電流值的大小為I=Vout/R，電路中REF192為高精度、低功耗、低溫漂的基準(zhǔn)源5，通過控制REF192的引腳的電平高低，使交流信號(hào)為方波信號(hào)，激勵(lì)源原理圖如圖2所示。3.2 鎖相放大模塊在實(shí)際的電路中，我們使用了AD公司的AD630實(shí)現(xiàn)鎖相放大功能。原理圖如圖3所示。響應(yīng)信號(hào)為電池注入交變電流后的

9、響應(yīng)信號(hào)，接入AD630的RINA引腳。參考信號(hào)為激勵(lì)源通過電阻的分壓形成的電壓信號(hào)，此信號(hào)與交流電流信號(hào)源的同 頻同相，將此信號(hào)接入AD630的SELB腳，通過AD630的處理，我們可以在AD630的VOUT引腳得到輸出信號(hào)。4 軟件設(shè)計(jì)在軟件設(shè)計(jì)過程中充分考慮到了功耗問題。為了充分利用CPU低功耗性能，使單片機(jī)工作在突發(fā)狀態(tài)，系統(tǒng)通過定時(shí)器1產(chǎn)生的0.5S的中斷將CPU從休眠狀態(tài)中喚醒，完成相應(yīng)的工作之后又進(jìn)入休眠狀態(tài)。表1 D型鎳氫電池的內(nèi)阻測(cè)試結(jié)果圖5 低功耗測(cè)量系統(tǒng)工作電流主程序流程圖如圖4所示，其中ADC12MEMN0 100 表示有被測(cè)量電池接入回路中。從軟件流程圖可以看出，在測(cè)

10、量電池內(nèi)阻的過程中，系統(tǒng)工作在兩種狀態(tài)。當(dāng)ENA引腳為低電平時(shí)，系統(tǒng)處在測(cè)量狀態(tài)，MCU和 外圍電路都處在全速運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)ENA引腳為高電平時(shí)，MCU處在低功耗狀態(tài)和外圍電路供電關(guān)斷，并且全速狀態(tài)的時(shí)間相當(dāng)短，系統(tǒng)是工作在突發(fā)狀態(tài)。5 低功耗分析系統(tǒng)的低功耗是便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)之一。本系統(tǒng)基于MPS430超低功耗37350MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)不僅僅是硬件的功耗低，關(guān)鍵是系統(tǒng)的獨(dú)特工作方式使系統(tǒng)達(dá)到了更低的功耗。一般的測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流是恒定的，本系統(tǒng)測(cè)量時(shí)電流是突變的。圖5為本系統(tǒng)在測(cè)量過程中，電流與時(shí)間的關(guān)系。從圖5可以看出系統(tǒng)在測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)工作在突發(fā)的狀態(tài)。系統(tǒng)工作的峰值電

11、流較大，但時(shí)間短；系統(tǒng)大部分工作在低功耗狀態(tài)，因此平均電流值很小，從而使系統(tǒng)的功耗達(dá)到了極低的水平。以下分別對(duì)多節(jié)4000mAh的D型鎳氫電池進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在開路的情況下分別進(jìn)行10次的測(cè)試。同時(shí)采用了哈爾濱子木科技公司生產(chǎn)的DK3000進(jìn)行比較，表1列出了其中4節(jié)D型電池的測(cè)試結(jié)果。從上面的測(cè)試數(shù)據(jù)看，由于采用了12bit的AD轉(zhuǎn)換器，測(cè)量電池的內(nèi)阻的均方差6為0.02，測(cè)量的數(shù)據(jù)可以精確到4位有效數(shù)字以上。盡管在實(shí)際的測(cè)試中，系統(tǒng)峰值電流達(dá)到了十幾毫安，但是由于系統(tǒng)工作在突發(fā)狀態(tài)，大部分時(shí)間工作在低功耗狀態(tài)(LPM3)，平均電流在3mA以下，達(dá)到了實(shí)用性。6 結(jié)論本內(nèi)阻測(cè)試儀采用了超低功耗的M

12、SP430系列單片機(jī)作為核心處理器，外圍電路使用低功耗的元器件，使系統(tǒng)具有低功耗、小體積、低重量、低成本、智能化 特性。整個(gè)系統(tǒng)工作在突發(fā)狀態(tài)，工作的平均電流小于3mA，達(dá)到了實(shí)用的程度，滿足了一些特殊現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的需要。并且本系統(tǒng)所涉及的一些低功耗設(shè)計(jì)方法可以 用于指導(dǎo)其他嵌入式便攜系統(tǒng)的設(shè)計(jì),具有很強(qiáng)的推廣應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn)1 高效岳. 電池內(nèi)阻的測(cè)量. 電池. 1985, 6: 2-4.2 秦龍. MSP430單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例. 中國(guó)電力出版社. 2005, 143-161.3 魏小龍. MSP430系列單片機(jī)接口技術(shù)及其設(shè)計(jì)實(shí)例. 北京航空航天大學(xué)出版社. 2002, 27-36.4 TEXAX INSTRUMENTS. MSP43044x Mixed Signal Microcontroller. 2002, 1-65.5 Analog