基于交流注入法的鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)

黃鑫 藍賢桂

摘? ?要： 電池內(nèi)阻大小能夠直接反映電池的放電能力及預(yù)期壽命，是用于評價鉛酸蓄電池性能的重要指標(biāo)。提出一種基于交流注入法的鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)包括中央處理器、正弦激勵信號源、信號測量電路、溫度測量電路等模塊;軟件系統(tǒng)實現(xiàn)了自動量程切換、狀態(tài)LED顯示、通信和數(shù)據(jù)處理等任務(wù);針對信號過于微弱的問題，通過理論分析，采用數(shù)字鎖相放大技術(shù)實現(xiàn)特殊處理。采用BT508內(nèi)阻分析儀作為標(biāo)準(zhǔn)測試儀表進行對比測試驗證，表明本系統(tǒng)測量結(jié)果偏差不超過0.03 mΩ，能夠達到實際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞： 鉛酸蓄電池;內(nèi)阻檢測;交流注入法;弱信號處理;數(shù)字鎖相放大

中圖分類號：TM934.13? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：2095-8412 （2020） 06-067-08

工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net? ? DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.012

引言

鉛酸蓄電池在出廠時內(nèi)阻一般較小。隨著使用時間的推移，電解液逐漸減少，極板活性物質(zhì)的活性逐漸降低，電池內(nèi)阻逐漸增大。當(dāng)電池內(nèi)阻過大時，電荷無法正常釋放，電池趨于失效[1]。因此，內(nèi)阻是鉛酸蓄電池的一個重要性能參數(shù)，內(nèi)阻變化速率是鉛酸蓄電池放電能力好壞的重要評價指標(biāo)，與電池預(yù)期壽命有相關(guān)性。

理論上，可以通過檢測電池內(nèi)阻變化速率來判斷和預(yù)估電池性能[2]，但是由于電池內(nèi)部物質(zhì)成分復(fù)雜且動態(tài)變化，電池內(nèi)阻的精確測量成為難題[3]。

本文首先介紹交流注入法的基本原理，提出一種對微弱信號的特殊處理方案;然后提出一種基于交流注入法的鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)，實施硬件電路設(shè)計和軟件任務(wù)設(shè)計，旨在以正弦信號作為激勵源，利用數(shù)字鎖相放大技術(shù)實現(xiàn)鉛酸蓄電池的內(nèi)阻測量;最后將本系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)進行對比，以評價設(shè)計的合理性。

1? 電池內(nèi)阻檢測原理

1.1? 交流注入法

基于交流注入法的電池內(nèi)阻檢測原理如圖1所示，測量系統(tǒng)由激勵信號源（交流電流源）與交流測試單元兩部分構(gòu)成。

交流電流源作為激勵信號并聯(lián)在待測電池兩端。交流測試單元通過隔直電容耦合后并聯(lián)在待測電池兩端。交流測試單元具有較大阻抗，可以看成開路。交流電流源在電池兩端產(chǎn)生交流電壓。若交流電流源信號為，則

其中各變量的物理意義參照約定俗成的規(guī)則，后同。若交流電壓信號為，則

電池內(nèi)阻既有電阻特性，也有電容特性，激勵信號與蓄電池兩端信號存在著相位差。由于已知，且可以通過交流測試單元測量，因此電池內(nèi)阻Z表示為

1.2? 對微弱信號的特殊處理

由于信號有時非常微弱，因此采用數(shù)字低通濾波器，結(jié)合相關(guān)數(shù)字檢測技術(shù)，構(gòu)成數(shù)字鎖相放大器，對微弱信號進行處理。此外，采用數(shù)字高通濾波器，有效濾除環(huán)境中的電磁干擾。將測量信號作為輸入信號，激勵信號作為參考信號，利用相關(guān)檢測法提取有用信號，過程如下。

設(shè)正弦參考信號為，余弦參考信號為，輸入信號為，則有

其中，A、B分別為輸入信號和參考信號的幅度。將分別與與相乘可得

上述信號通過數(shù)字低通濾波器后剩余的直流成分為

那么，待測信號的幅度可以表示為

相位可以表示為

根據(jù)上述推導(dǎo)，構(gòu)建數(shù)字鎖相放大器，完成相關(guān)運算。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 整體電路設(shè)計

系統(tǒng)整體電路設(shè)計方案如圖2所示。其中電源電路為其他模塊供電，屬于附屬電路模塊，與其他電路相對獨立。

系統(tǒng)由中央處理器、激勵信號源（正弦）、待測電池、信號測量電路、溫度測量電路等組成。正弦激勵信號由微處理器內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生。采用熱電阻PT100采集溫度。中央處理器由STM32F373RC及其外圍電路組成，內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電路也能夠采集溫度，并采集內(nèi)阻及電池電壓。電路采用直流5 V供電。以下對其他重點電路的設(shè)計進行介紹。

2.2? 激勵信號源電路設(shè)計

激勵信號源主要由DA轉(zhuǎn)換、信號調(diào)整和電壓—電流轉(zhuǎn)換三部分電路產(chǎn)生。

DA轉(zhuǎn)換電路采用微控制器內(nèi)部自帶的DAC產(chǎn)生模擬信號。輸入碼值CODE、輸出電壓及參考電壓三者間的關(guān)系為

由于DAC輸出正弦激勵信號幅值為0.5 V，頻率為1 kHz，因此DAC的輸入碼值在正弦表的基礎(chǔ)上加上0x8000可滿足直流偏置要求。

DAC輸出正弦激勵信號中包含大量高頻分量，因此在DAC的輸出端串聯(lián)信號，以重構(gòu)濾波器，濾除高頻分量。設(shè)計的重構(gòu)濾波器的截止頻率為1 kHz，采用五階橢圓濾波器電路[4]，如圖3所示。

DAC輸出正弦激勵信號還要通過一個加法器電路，以提高信號的偏置電壓，偏置電路如圖4所示。

最后，完成電壓到電流信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

Howland電流源電路的輸入電壓與輸出電流之間的關(guān)系為

將相關(guān)參數(shù)代入，有

MCP6002最大輸出電流為20 mA，所以在輸出端加上由MMBT5551與MMBT5401組成的推挽擴流電路，使激勵信號達到最大1 A輸出。

2.3? 內(nèi)阻信號放大電路設(shè)計

鉛酸蓄電池兩端采集的是一個含有直流成分和交流成分的混合信號。直流成分是電池輸出電壓，交流成分即為待采集信號，大小約為幾百微伏，同時需要濾除噪聲信號。

在此采用分立儀表放大電路對微弱信號進行放大。放大電路具有高開環(huán)增益、大共模抑制比、高輸入阻抗、低直流偏置等優(yōu)點，其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示。輸入級由兩個同相放大器構(gòu)成，提供高輸入阻抗。后級有一個增益為1的差分放大器，負責(zé)把兩個電壓相減。

圖6中的Q1、A1、R1和Q2、A2、R2為精密電流反饋放大器。節(jié)點1的電壓為

節(jié)點2的電壓為

差分放大器的輸出電壓為

其中，G為放大電路的增益，滿足

放大電路的增益可以通過改變實現(xiàn)。當(dāng)?shù)闹禐闊o窮大時，放大電路的增益為1。

系統(tǒng)采用AD8422芯片實現(xiàn)放大功能，其電路如圖7所示。

為了抑制高頻干擾，必須對放大電路的輸出信號進行低通濾波[5]，低通濾波電路如圖8所示。低通濾波電路的截止頻率為1 kHz，采用2個二階巴特沃斯低通濾波器級聯(lián)構(gòu)成。

2.4? 溫度測量電路設(shè)計

溫度測量電路如圖9所示。溫度測量電路將PT100作為溫度傳感器，采用補償三線式連接。當(dāng)溫度為0～300℃時，PT100電壓輸出為105～222.6 mV。將該電壓放大20倍，產(chǎn)生2.3 V左右的輸出范圍。通過微處理器內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換完成溫度數(shù)據(jù)采集。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分采用FreeRTOS嵌入式多任務(wù)實時操作系統(tǒng)進行設(shè)計。

3.1 主程序設(shè)計

軟件設(shè)計總體框圖如圖10所示。主程序中初始化程序先進行DAC、ADC、定時器、串口、通用IO等硬件的初始化，然后從FLASH中讀取配置參數(shù)，啟動窗口看門狗監(jiān)測軟件故障。看門狗監(jiān)測軟件啟動后程序會創(chuàng)建四個任務(wù)，分別是自動量程切換任務(wù)、狀態(tài)LED任務(wù)、通信任務(wù)和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。數(shù)據(jù)處理任務(wù)是整個系統(tǒng)的核心，負責(zé)產(chǎn)生激勵信號及完成內(nèi)阻數(shù)據(jù)的檢測。以下著重對數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序設(shè)計進行介紹。

3.2? 數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序設(shè)計

數(shù)據(jù)處理任務(wù)程序主要由時鐘配置程序、激勵信號源產(chǎn)生程序、AD采樣程序、信號處理程序四個部分組成。

3.2.1? 時鐘配置程序

DAC數(shù)據(jù)更新定時器作為主定時器，控制其他定時器的計數(shù)時鐘，保證激勵信號與采樣信號時鐘同步，流程如圖11所示。

3.2.2? 激勵信號源產(chǎn)生程序

DAC數(shù)據(jù)更新頻率為

（21）

其中，激勵信號頻率為1 kHz，查找得到相應(yīng)的表長L為200。由定時器TIM2的計數(shù)周期控制DAC的數(shù)據(jù)更新頻率，定時器TIM2的計數(shù)頻率為

其中，為微控制器內(nèi)部時鐘，count為TIM2的計數(shù)周期。當(dāng)為64 MHz，為200 kHz時，count的值為319。采樣信號時鐘與激勵信號嚴(yán)格同步，采樣觸發(fā)信號由定時器TIM2的從定時器TIM3產(chǎn)生。定時器TIM3計數(shù)周期為19，脈沖寬度為9。

3.2.3? AD采樣程序

AD采樣程序由初始化子程序和中斷處理子程序組成。初始化子程序負責(zé)AD參數(shù)配置和AD狀態(tài)檢測，初始化流程如圖12所示。

AD轉(zhuǎn)換完成時觸發(fā)中斷，微控制器調(diào)用中斷處理程序，將AD轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，并寫入AD轉(zhuǎn)換結(jié)果隊列中。中斷處理流程如圖13所示。

3.2.4? 信號處理程序

當(dāng)信號處理程序檢測到有轉(zhuǎn)換結(jié)果時，將數(shù)據(jù)讀出，開始處理所采集的數(shù)據(jù)。信號處理流程如圖14所示，其中實現(xiàn)的主要是數(shù)字濾波處理。

4 測試驗證

采用Fluke公司的BT508蓄電池內(nèi)阻分析儀作為標(biāo)準(zhǔn)測試儀表，在開路狀態(tài)下，對某品牌6-QAW-40a型號的鉛酸蓄電池進行對比測試驗證，結(jié)果如表1所示。本系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)儀器測量結(jié)果偏差不超過0.03 mΩ，表明本文設(shè)計的基于交流注入法的鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)穩(wěn)定性好，能夠達到實際應(yīng)用要求。

5? 結(jié)束語

本文基于交流注入法，完成了鉛酸蓄電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)在硬件上包括中央處理器、正弦激勵信號源、信號測量電路、溫度測量電路等模塊，在軟件上包含自動量程切換、狀態(tài)LED顯示、通信和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，并完成了相關(guān)程序設(shè)計。

本文創(chuàng)新點是使用數(shù)字鎖相放大技術(shù)實現(xiàn)了微弱信號的檢測和特殊處理。相關(guān)測試驗證結(jié)果表明，本文設(shè)計的內(nèi)阻檢測系統(tǒng)能達到實際應(yīng)用要求，可以在相關(guān)行業(yè)推廣應(yīng)用。

基金項目

江西省新能源工藝及裝備工程技術(shù)研究中心開放基金項目（No. JXNE2017-06）

參考文獻

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作者簡介：

黃鑫（1974—），男，本科。主要研究方向：應(yīng)用電子技術(shù)。

E-mail： 396525437@qq.com

藍賢桂（1979—），通信作者，男，碩士研究生，講師。主要研究方向：電路與系統(tǒng)、機器視覺等。

E-mail： 6163237@qq.com

（收稿日期：2020-08-18）