基于ARM的鋰電池自動測試系統(tǒng)的設(shè)計

摘 要：針對國內(nèi)中小企業(yè)鋰電池生產(chǎn)測試現(xiàn)狀， 文章介紹了一種以ARM處理器為核心，利用鎖相放大技術(shù)提取微弱測試信號實現(xiàn)鋰電池電性能的自動化測試，實踐證明該自動測試系統(tǒng)能滿足了鋰電池生產(chǎn)的測試精度要求。

關(guān)鍵詞：鋰電池；ARM處理器；鎖相放大；自動化測試

隨著全球環(huán)境污染和能源危機的加重，新能源和再生能源的開發(fā)應(yīng)用越來越迫切， 一場綠色能源科技和低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展的浪潮在全球掀起。鋰電池因其重量比能量高、循環(huán)性好、無記憶、無污染等優(yōu)點成為新能源領(lǐng)域的熱點，在智能電子設(shè)備、移動電源和電動車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著鋰電池廣泛應(yīng)用人們對鋰電池的品質(zhì)、安全和性能的要求越來越高。鋰電池的電生能測試在鋰電池生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，因此生產(chǎn)過程中要求對鋰電池的電生能進(jìn)行檢測。

目前國內(nèi)鋰電池生產(chǎn)過程中的電性能測試一般利用標(biāo)準(zhǔn)化的電阻測試表人工手動測試，該測試方式效率較低、成本比較高，而且產(chǎn)品質(zhì)量不易管控，易出現(xiàn)漏測或誤測。基于鋰電池生產(chǎn)測試現(xiàn)狀，文章設(shè)計了一種利用鎖相放大技術(shù)提取微弱測試信號實現(xiàn)鋰電池電性能測試的設(shè)備。

1 電性能測試分析

鋰電池內(nèi)阻包括極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻，是衡量鋰電池性能的重要指標(biāo)。實驗表明，鋰電池的內(nèi)阻與電壓特性、鋰電池容量、壽命和安全等密切相關(guān)，一般情況鋰電池的內(nèi)阻越小，電池電壓特性越好，電池容量越大，內(nèi)阻值的變化可以預(yù)測電池的壽命和安全性能，因此，鋰電池電池性能測試的一個重要技術(shù)指標(biāo)就是鋰電池內(nèi)阻。基于ARM的鋰電池測試系統(tǒng)主要是通ARM處理器采集測試信號實現(xiàn)鋰電池內(nèi)阻測量。

鋰電池的內(nèi)阻受鋰電池測試所處狀態(tài)影響，如充放電狀態(tài)有差別，不同溫度下也不同，因此，鋰電池內(nèi)阻的測量是建立在鋰電池阻抗等效模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在低頻領(lǐng)域鋰電池內(nèi)阻等效模型可以簡化為如圖1所示，R1為歐姆電阻，R2為極化電阻，C1為極化電容，極化電容的大小與鋰電池的容量相關(guān)。鋰電池充電狀態(tài)下的內(nèi)阻是指電池完全充滿電后內(nèi)阻值，穩(wěn)定性相對較好，其測量值具有實際參考意義，因此，文章設(shè)計的鋰電池測試系統(tǒng)就是對鋰電池充電狀態(tài)下內(nèi)阻的檢測。鋰電池的內(nèi)阻非常微小是mΩ級別，而且鋰電池不同于一般的電阻元件，是有源元件不能直接測量，文章鋰電池內(nèi)阻的檢測采用交流注入法測量。

2 硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該測試系統(tǒng)可以分上料和測試下料兩個部分。上料部分通過2個直線氣缸、1個旋轉(zhuǎn)氣缸和1個真空吸盤來實現(xiàn)電芯的取和放；下料部分通過2個直線氣缸和1個真空吸盤來實現(xiàn)電芯的取和放。該測試系統(tǒng)利用鎖相放大技術(shù)通過ARM單片機實現(xiàn)鋰電池內(nèi)阻的測量、分析、顯示與控制。整個系統(tǒng)的控制圖如圖2所示。

該系統(tǒng)的核心控制器是三星公司的S3C2410芯片，主頻高達(dá)203MHz，117個通用I/O 口、4 通道帶PWM 的定時器、8 通道10 位ADC等。芯片的高集成度簡化了應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計， 提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。為了方便開發(fā)該系統(tǒng)還移植了Linux 操作系統(tǒng)， 不僅簡化了控制軟件的設(shè)計， 而且在多任務(wù)的實時操作系統(tǒng)環(huán)境下可提高CPU 的利用率，提高生產(chǎn)效率。

2.2 鎖相放大器原理與設(shè)計

鎖相放大器利用相關(guān)檢測算法不僅能像選頻放大器那樣利用信號的頻率特性， 還能利用信號的相位特點“鎖定”被測信號的相位，實現(xiàn)對微弱信號的檢測和放大。鎖相放大技術(shù)能夠有效地抑制干擾和噪聲，在微弱信號測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。鎖相放大器基本原理圖如圖3所示，包括兩個信號輸入通道、移相器、相敏檢測器和低通濾波器等。微弱信號通過放大濾波， 濾掉一部分的干擾和噪聲，使其達(dá)到相敏檢波器檢測工作的電平；參考信號通過整形移相后送入相敏檢波器。兩個信號在相敏檢波器中做乘法運算，然后輸出混頻信號；混頻信號通過低通濾波器得到放大后的輸入信號。

2.3 鋰電池內(nèi)阻測試電路

采用交流注入法測量鋰電池內(nèi)阻模塊由低頻交流信號源、帶通濾波器、放大電路、鎖相器和低通濾波電路組成， 鋰電池內(nèi)阻測試框圖如圖4所示。由于鋰電池內(nèi)阻很小測量時將驅(qū)動電流回路和感應(yīng)電壓電路分開，采用四線法測量。低頻交流信號源利用ARM單片機內(nèi)部DAC模塊輸出低頻信號通過電流放大后獲得，作為鋰電池內(nèi)阻測試的激勵電信號。激勵電信號鋰電池所產(chǎn)生的電壓響應(yīng)信號十分微弱，需要進(jìn)行前置放大和濾波后才能輸入相關(guān)器。該系統(tǒng)采用AD公司的AD630作為乘法器來實現(xiàn)相關(guān)檢測， AD630高精度平衡調(diào)制器可應(yīng)用在方波乘法、平衡調(diào)制解調(diào)、正交檢波、相位檢測、相敏檢測、同步檢測、鎖定放大等方面。AD630內(nèi)部電阻具有高穩(wěn)定性，確保了電阻測量的精確性和穩(wěn)定性。AD630輸出的信號經(jīng)過放大濾波后ARM微處理器的AD轉(zhuǎn)換器采樣，最后通過計算可以得到鋰電池的內(nèi)阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先將操作系統(tǒng)Linux移植到ARM微處理器的平臺上。應(yīng)用軟件在移植了操作系統(tǒng)Linux平臺上設(shè)計。操作系統(tǒng)Linux對整個ARM應(yīng)用系統(tǒng)硬件進(jìn)行資源管理，通過操作系統(tǒng)配置應(yīng)用程序接口。鋰電池自動化測試系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。該應(yīng)用軟件采用模塊化的程序結(jié)構(gòu)，主要包括系統(tǒng)初始化模塊、繼電器控制模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、DA轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信息顯示模塊等。系統(tǒng)上電后進(jìn)入系統(tǒng)初始化模塊，等待測試開始信號，測試信號觸發(fā)后程序調(diào)用繼電器控制模塊實現(xiàn)鋰電池自動放置到測試位，然后啟動DA模塊和AD模塊對鋰電池進(jìn)行自動測量，ARM單片機采集數(shù)據(jù)后分析處理得出鋰電池內(nèi)阻數(shù)據(jù)并與標(biāo)準(zhǔn)比較判定測試結(jié)果，最后把測試顯示到人機界面上。

4 結(jié)束語

設(shè)計的基于ARM的鋰電池自動測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋰電池內(nèi)阻的自動化測試，測試精度和速度可以滿足生產(chǎn)實際需求，而且大大提高了鋰電池生產(chǎn)效率和信息化水平，對于提高鋰電池自動化測試水平有重要意義。系統(tǒng)也可以擴(kuò)展應(yīng)用于其他種類的電阻性能檢測。

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作者簡介：萬松峰（1979-），男，漢，河南商丘，講師/工程師，碩士研究生，主要研究方向為機電控制。