基于Cortex-M3的電池內阻檢測系統設計與實現

張樂芳，荊炳禮，任志宏

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

電源是電子、電器設備的重要組成部分，而電池則是移動電子產品中不可或缺的電源部件。電子產品中的電源或電池模塊直接影響電子產品的工作狀況。對于移動電子、電器產品，大到工業設備，如電動汽車、礦山設備，中到家用電動摩托車，小至手機、Ipad等手持設備，無一不與電池設備有關，電池性能對電子、電器設備性能具有舉足輕重的作用[1]。電池的性能指標包括：電池容量、能比、負載特性、壽命等多項參數，而電池性能的評估，一般是通過對電池內阻參數的測量得到，因為電池內阻直接影響電池的負載能力，也是間接評估電池性能的依據。

目前國內外測量電池內阻的常見方法有密度法、開路電壓法、直流放電法和交流注入法等多種測量方法[2-3]。上述方法，適用于小容量電池或實驗室測量，對于大容量或超大容量電池測量，存在測量精度差、發熱、易損電池等致命問題，是工業應用中亟待解決的問題，大容量電池性能測量難以通過直流放電法精確測量。

在實驗室精密測量實驗中，常采用電位差原理測量精密表頭或小容量電池內阻[4]。該原理的測量精度，取決于測量儀器精度、測量方法、被測對象內阻的大小、測量過程、與內阻等效串聯的連線電阻等多種因素。例如：小容量疊層電池，由于內阻較大，且對測量過程無特殊要求，用電位差原理，可得到很高的測量精度，也不會對電源造成不良影響。但該原理不能用于大容量電池的內阻測量，原因在于：1）長時間（秒級）大電流放電易損電池；2）線路電阻嚴重影響測量精度。

根據上述測量原理存在的問題，綜合開路電壓法和直流放電法原理，設計了基于位差原理和CORTEX-M3微處理器控制的電池內阻測試設備，即分別測量電池的空載電壓Ue和負載電壓UL，利用測量參數Ue、UL和已知負載電阻RL，通過計算間接測量電池內阻Ri，其優點在于：1）勿需大電流放電，避免電池及觸頭發熱現象；2）瞬間（微秒級）放電和快速測量，無損電池；3）線路電阻與測量結果無關，測量精度極高。該原理在工業檢測應用中得到了驗證。

1 測量原理

1.1 測量電路

考慮到Cortex-M3微處理器（STM32F103）數據采集的電平要求及原理驗證測試的方便，采用標稱3.6 V的大容量鋰電池及分壓電路作為測試電路，如圖1所示。

圖1 測試原理電路Fig.1 Test circuit principle

1.2 元件作用及參數選擇

E：等效的理想電壓源，待測參量；Ri：串聯等效的電池內阻，待測參量；

負載測量支路：包括K2開關和分壓電阻Rl1、Rl2。Rl1和R2組成負載分壓器，電阻參數選擇，應滿足數據采集端口的電平要求和重負載放電的要求，本支路選擇R1=1Ω，R2=2Ω。

空載測量支路：包括開關K1和分壓電阻Re1、Re2。Re1和Re2組成空載分壓器，分壓同比RL支路，但其參數選擇應遠大于RL支路，以不影響空載電壓的測量精度。本支路選擇R1=1 kΩ，R2=2 kΩ，分壓比相同，支路電流相差 1 000倍，滿足上述測量條件。

UE0、UL0：分別是空載和負載電壓測量端，利用測量數據，計算并間接測量電池的空載及負載狀態的電池端電壓U0，并根據位差間接測量電源內阻Ri。

K1和K2是用于測量控制的電子開關，其通態電阻僅為12 mΩ左右，可忽略其對電路的影響。

1.3 測量原理

圖1電路中，兩條支路的工作分別由K1、K2電子開關控制，且不同步。空載電壓測量時，斷開K2，閉合K1，根據電阻分壓原理，得到空載分壓輸出為：

負載輸出電壓時，如圖1所示。

兩次測量壓（位）差之比

由于 Re1、Re2和 Rl1、Rl2為已知參數，Vlo和 Veo為已測參數，則利用（3）式可求出電池內阻Ri。為簡化推證，把上述元件參數代入（3）式，得到：

式中C為兩次測量的位差比值，為已知參量。變換（4）式，最終得到：

2 仿真測試

利用電路仿真軟件對上述公式進行仿真驗證。仿真測試中：仿真軟件為TINA V8.0工業版；空載測試支路參數選擇：（Re1+Re2）＞＞（Rl1+Rl2）；內阻 Ri：變參數測試驗證；仿真測試電路：參照圖1。

2.1 仿真測試電路

分別接通和斷開圖1電路中的K1和K2測試開關，則空載電壓和負載電壓仿真測試等效電路如圖2所示，圖2（a）表示空載仿真測試圖，圖2（b）表示負載仿真測試圖。

圖2 仿真測試圖Fig.2 Simulation test pattern

2.2 仿真測試驗證

根據上述參數選取原則，選擇圖2所示元件參數，利用公式（5）計算不同Ri時的仿真測量值及誤差分析，如表1所示。

表1 仿真測試數據表Tab.1 Simulation test data table

表1的測試結果驗證了利用位差原理測量電源或電池內阻的原理正確，具有極高的精度。

3 硬件設計

實際測試系統的實現是基于Cortex-M3架構的32位微處理器，利用片上內置的自校準、高速、高性能12位ADC數據采集模塊，并采用分時邏輯控制原理實現空載電壓和負載電壓的測試，以消除由于測量過程引起的電池發熱、損壞等問題。

測試系統結構圖及原理圖如圖3所示。

圖3 基于Cortex-M3核的硬件測試原理圖Fig.3 Based on the Cortex-M3 hardware principle diagram of the test

圖4 基于Cortex-M3核的硬件測試結構圖Fig.4 Based on the Cortex-M3 hardware test structure

電路圖說明：R1～R3、T1、M1—空載測量控制開關。 R4～R6、T2、M2—負載測量控制開關。其他元器件作用及功能同前。

4 軟件設計

在實際應用中，僅測量靜態內阻（即單點測量）可以滿足一般的工業應用要求，但在電池或電源性能研究應用中，則同時要求跟蹤電源特性，即電源內阻的動態性能測量[5-7]。本系統設計具有靜態內阻和動態內阻測量功能。如圖5和圖6所示。

圖5表示靜態（單點）數據采集流程圖，靜態（單點）測試邏輯輯是根據單點數據采集而進行的。圖6表示動態（多點）數據采集流程圖，動態監測要求連續曲線輸出，以實現精密、直觀測量。

圖5 單點數據采集流程圖Fig.5 Single point flow chart of data collection

圖6 多點數據采集流程圖Fig.6 More flow chart of data collection

5 測試結果

5.1 負載單點測量數據

下表列出了3種低效手機電池、單點、重復（4次）測試的內阻數據。

表2 手機電池測試內阻數據Tab.2 Mobile phone battery internal resistance test data

5.2 動態內阻測試顯示

電池在連續重負載條件下電池電壓、電流及內阻變化曲線可以實時顯示其充電電流、電壓、溫度等，顯示效果較好，使用者可以實時了解電池的當前狀態，方便用戶使用。

6 結束語

基于電位差原理和Cortext-M3核微處理器控制的電池內阻檢測系統的應用，實踐表明：測試原理正確，結果精確，應用于該項目，完全滿足應用要求，在精密檢測及工業檢測設備中具有廣闊的應用前景。

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