基于ARM的蓄電池內阻測試儀的設計

張聰 姜波

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所，武漢 430064）

0 引言

蓄電池的內阻與容量有著密切的關系，電池內阻的變化趨勢，反映電池性能和壽命的變化趨勢。因此，用內阻檢測法測定蓄電池的性能，實現蓄電池的在線維護，是目前公認的蓄電池維護的最佳方案之一[1]。它能節省維護成本，并提供更多蓄電池的相關信息。內阻測試法已被 IEEE列為“閥控密閉鉛酸蓄電池（VRLA）的維護、測試和更換的推薦辦法”中的一個部分。

本設計采用基于ARM單片機技術的四線交流法來實現電池內阻的測量。交流法通過對電池注入一個低頻交流電流信號，測出蓄電池兩端的低頻電壓和流過的低頻電流以及兩者的相位差，從而計算出電池的內阻。交流法由于無須放電，不用處于靜態或脫機狀態，可以實現安全在線監測管理，避免了對設備運行安全性的影響。同時施加的低頻信號頻率非常之低，施加的交流電流也非常小，故不會對蓄電池的性能造成影響，并且不需要負載箱[2]。

1 測試原理

系統采用交流法測量，見圖 1。其方法即在蓄電池兩端施加一交流激勵電流信號 Is，測出蓄電池兩端電壓響應信號 V0，并測出 Is和 V0之間的相位差φ。

圖1 測量電池內阻原理圖

由公式sIVZ0=及φcosZr=確定蓄電池內阻r。

信號經過限流電阻R和隔直電容C加到待測電池兩端，給電池注入交流信號，從電池兩端取出信號，送入后續信號調理電路，這樣將注入電流回路和信號測量回路分開，實現四線交流法測量，降低了導線阻抗對電池內阻測量的影響。

火車上的備用照明蓄電池一般容量為 200 Ah左右，內阻約為1 mΩ，因此注入100毫安的電流，響應為100μV，經過信號處理完全可以準確測得電池兩端的電壓響應信號。

由 NorthStar蓄電池公司化學博士Dr.F.A.Fleming起草（9/13/2004）的文件中提到“要最大程度地獲取電路中各個參數的信息，所施加的交流電信號頻率非常關鍵。”“要在電路中獲取最多信息，即最大程度地反映NSB電池的物理化學屬性，電信號的理想頻率應在 10～50 Hz之間。”目前，國內大多數阻抗測試儀所使用的測試信號的頻率高達幾百甚至幾千赫茲，只有極少數測試儀表所使用的測試信號頻率在最佳頻率范圍中間[3]。因此，本系統選擇信號的頻率為40 Hz，它可以有效避免工頻干擾帶來的影響。

2 硬件設計

PHILIPS公司的 LPC2294功耗極低，它有16kB片內靜態RAM和256kB片內Flash程序存儲器，擁有多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口和2個SPI接口，8路10位A/D轉換器，2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道），多達112個通用I/O口（可承受5V電壓），這一款單片機功能十分強大，非常適合用來設計便攜式儀器，所以本系統采用LPC2294HBD144作為CPU。

整個硬件電路可分為以下幾個主要模塊：信號源模塊、信號調理模塊、A/D轉換模塊、液晶顯示模塊。具體電路組成可用圖2所示框圖描述。

LPC2294的定時器控制信號發送的頻率，通過SPI口發送數字轉換信號到數模轉換器，轉換后的

圖2 測試儀硬件結構框圖

模擬信號經功放芯片放大后送電池激勵，調理后的激勵信號經AD轉換器轉換后送CPU處理，電壓、電流之間的相差經相位差轉換電路轉換后變為方波，定時器對方波計數以求出相差。

在電路的具體實現中，采用了 12位的具有SPI接口的 D/A轉換器 DAC7513，與 LPC2294可直接接口，功率放大器選用 OPA551，這款功率運算放大器可輸出200 mA的電流，并且放大倍數可任意選擇，完全滿足需要，信號調理電路采用TLC2262，AD620兩種超低功耗運放，保證了整機的低功耗，液晶選用點陣圖形液晶模塊NS240128A[4]。

2.1 電壓信號調理電路

由于電池內阻很小，因此，電池兩端產生的激勵電壓信號很微弱，容易受到噪聲干擾。為了準確測量激勵電壓，必須對信號進行放大和濾波處理，以濾除激勵電壓頻率以外的噪聲和干擾。電壓信號調理電路框圖如下：

圖3 電壓信號調理框圖

差分放大器具有雙端輸入-單端輸出、共模抑制比高的特點，具有較強的抗干擾能力，二階有源帶通濾波器有很好的穩定性，也可方便地設定中心頻率和品質因子。在無法定制精密電阻電容的情況下，帶通濾波器的中心頻率往往會偏離設計值，因此需要微調激勵信號的頻率，在（40±1）Hz的范圍里微調到Q值最高的頻率點。

2.2 采樣電路

為了提高儀器的測試精度，我們選用了高精度的轉換器 AD7865。它是一種高速、低功耗、四通道同步采樣的14位A/D轉換器，采用+5V供電。芯片內部包含一個比較器，四個跟蹤/保持放大器，內部2.5 V參考電壓和一個14位的高速并行口。芯片的四個同步采樣通道可保持四路信號的相對相位信息[5]。該芯片系列有三種型號，本設計采用的是AD7865-1。

LPC2294的P0.11與AD7865的CONVST連接，作為啟動轉換信號，P0.9與BUSY相連，檢測轉換是否結束，其中，/H/S和SL4接低電平，SL1～SL3接高電平，即本設計使用的是硬件通道選擇，且選擇了三個通道，三個信號分別從管腳VIN1～VIN3輸入。

圖4 A/D轉換器接口電路

2.3 液晶接口

NS240128A點陣圖形液晶模塊的點象素為240×128點，外部顯示存儲器為32 kB。液晶模塊采用8位總線接口與微控制器連接，該模塊沒有地址總線，顯示地址和顯示數據均通過 DB0～DB7接口實現。由于模塊的工作電源是 5 V而LPC2294的I/O電壓為3.3 V，所以在總線上串接470 Ω的保護電阻。圖形液晶模塊的C/D與A1連接，使用A1控制模塊處理數據/命令。由于液晶顯示模塊是LPC2294的一個慢速外設，要使兩者的速度達到匹配，在每條指令之間加入一定的延時，一般為1 μs以上。接口電路如圖5所示。

圖5 液晶接口電路

3 軟件設計

電池內阻測試儀采用 ARM 公司推出的ADS1.2作為軟件開發平臺，完成采集數據的處理，顯示被測蓄電池的內阻值。它還包含過載報警，當測量值超出測量范圍時，發出警告。其主程序流程圖見圖6，定時器1設計流程如圖7。

程序采用模塊化設計，增強了程序的可讀性和移植性。主要模塊包括D/A轉換程序，A/D采樣程序，脈寬計數程序，內阻計算程序和液晶顯示程序。

圖6 電池內阻采集程序流程圖

圖7 定時器1設計流程圖

4 試驗結果

樣機經校準機構校準，系統運行可靠，各項指標達到設計要求。具體測試數據如下：

表1 校準數據

5 結束語

研制的樣機經實際測試，單體電池內阻的測量范圍為(1～10)mΩ，精度優于5%。由于采用了單片機，提高了測試儀的便攜性，具有實際應用價值。

[1]朱磊, 趙林英. 基于LabVIEW實現的電池內阻測試儀[J]. 哈爾濱理工大學學報, 2005, 10(5)： 67～69

[2]李立偉,鄒積巖. 蓄電池內阻測量裝置的研究[J]. 工裝設備, 2003, 27(1)： 42～44.

[3]林大華. 國外蓄電池日常維護測試技術[J]. 電信工程技術與標準化, 2007, (6)： 81～83.

[4]夏天, 伍小生. 便攜式蓄電池內阻測試儀的研制[J].電源技術, 2007, 31(1)： 49～52.

[5]王成海, 董建友. AD7865在電網數據采集中的應用[J]. 電子技術, 2002, (8)： 45～48.