一種基于交流阻抗法測量蓄電池內阻的新方法

摘要：以51單片機作為核心控制單元，DDS芯片產生頻率為1kHz的交流測試信號。LM386進行低頻功率放大處理，經電容器注入蓄電池的兩端，交流測試信號在蓄電池內阻上產生的壓降，經精密儀表放大器INA118進行放大，由RMS-DC轉換芯片LTC1967轉換為直流電壓，再由AD轉換器進行采集，從而成功獲取交流測試信號在蓄電池內阻上的壓降。同時，由RMS-DC轉換芯片LTC1967對與待測蓄電池串聯的取樣電阻上的電壓進行轉換并由AD采集，最終得出蓄電池的內阻。測試結果證明，該系統具有應用簡便、成本較低的優勢，能夠有效實現對蓄電池內阻的在線、快速測量。

關鍵詞：單片機；交流阻抗法；蓄電池內阻

一、前言

蓄電池是移動電子設備和電動交通工具中不可或缺的電源部件，其性能品質直接影響電子設備的工作狀況。研究表明，蓄電池的內阻雖不能直接反映蓄電池的容量，但是相互之間存在著很強的相關性，一般而言，電池的容量越大，其內阻就越小，通過對內阻的測量就能評估容量的大小[1]。此外，蓄電池內阻明顯的變化在一定程度上反映電池性能的劣化，因此電池的內阻是評估電池性能的重要依據。蓄電池內阻測量主要有直流放電法和交流阻抗法[2]。直流放電法是通過對電池進行瞬間大電流放電，測量電池上的瞬間電壓降。雖然這種方法在實踐中得到廣泛應用，但是也存在一些缺點。該方法對蓄電池內阻進行檢測必須是在靜態或脫機狀態下進行，無法在線測量[3]。而且大電流放電可能會對蓄電池造成較大的損害[4]，從而影響蓄電池的容量及壽命。交流阻抗法是一種利用小幅度交流電壓或電流對電極擾動，進行電化學測試的方法，該方法不會對蓄電池造成損害，但容易受到紋波等干擾。本文選用新器件和全新的電路，通過交流阻抗法實現了蓄電池內阻的快速、準確測量。

二、蓄電池內阻測量原理

交流阻抗法測量蓄電池內阻不需要對電池放電，可以在任意狀態進行實時測量。但蓄電池內阻很小，一般在幾十毫歐到幾百毫歐之間，注入正弦波測試信號后，在電池兩端產生的信號壓降Us非常小，很容易被噪聲淹沒，所以需要進行濾波、放大、AC-DC轉換處理，測量出電池兩端的測試信號電壓Us。再連接一個取樣電阻和蓄電池串聯，測量出電阻兩端的直流電壓，即可得出蓄電池內阻R，如式（1）所示。

Ur是取樣電阻兩端交流電壓，Us是電池兩端交流電壓，Rr是取樣電阻阻值。

三、硬件設計

本方案是以蓄電池作為研究對象，51單片機的控制DDS芯片AD9833產生頻率為1kHz的正弦波測試信號，LM386進行低頻功率放大，電容注入蓄電池，交流測試信號在電池兩端產生的壓降，經過精密儀表放大器INA118進行放大，由RMS-DC轉換芯片LTC1967把交流電壓轉換成直流電壓。取樣電阻兩端的交流測試電壓直接由另一片RMS-DC轉換芯片LTC1967轉換成直流電壓，兩個LTC1967的直流輸出電壓由AD轉換器ADC0808采集，單片機根據式（1）進行計算，液晶屏顯示出測量結果如圖1所示。

（一）DDS模塊

交流阻抗法需要給蓄電池提供正弦測試信號，本設計采用DDS芯片AD9833提供1kHz的正弦波測試信號，AD9833的頻率控制由單片機通過AD9833的6、7和8腳完成，選擇25.0000MHz的有源晶振為AD983提供時鐘信號。AD9833輸出端連接一個電位器用于調節正弦波信號幅度。DDS模塊外圍連接電路如圖2所示。圖中，C1、C2、C3和C6為電源濾波電容，C7為輸出信號濾波電容，濾除DDS輸出信號中的高次諧波。

（二）低頻功率放大電路

低頻功率放大電路如圖3所示，為了在蓄電池內阻上產生較大的測試信號電壓，必須給蓄電池注入較大的測試信號電流，為此，選擇LM386低頻功率放大器實現測試信號的電流和功率放大。

圖3中，DDS產生的測試信號從LM386的3腳輸入。放大后的信號經C12耦合輸出。C10、C11為電源濾波電容，C8為旁路電容。改變串聯電阻R3的阻值可改變輸出信號的幅度。RV1和C9為增益調節，改變RV1可調節其增益，從而調節其輸出電流，以便使測試信號在蓄電池內阻上產生適當的壓降。

（三）儀表放大電路

低頻放大電路輸出的正弦波信號很大，但蓄電池的內阻很小，導致電池兩端的交流電壓信號較小，需要通過儀表放大器INA118對電池兩端微弱的信號進行精確、穩定放大，保持高增益精度和良好的線性度，還可以有效抑制共模信號，突出差模信號從而在存在較大共模干擾的環境中，還能起到一定的信號隔離作用，確保提取信號的準確性。圖中，電池兩端交流測試信號從INA118的2、3腳輸入，放大后從5腳輸出。C26、C27為耦合電容，用于從蓄電池兩端提取交流測試信號，隔離電池兩端的直流電壓。由于INA118的輸入阻抗極高，故C26、C27的容抗不會影響交流測試信號的大小，C16、C17為濾波電容，C18、C19、C20、C21均為電源濾波電容。R6為負載電阻，R5為增益調節，阻值越大增益越小。儀表放大電路如圖4所示。

本設計需要將電池和測試電阻兩端交流電壓信號轉換為直流電壓信號，以便于采集和計算。為此，選擇RMS-DC轉換芯片LTC1967實現高線性度的交流電壓信號轉換為直流電信號，LTC1967的2、3腳采用雙端差動輸入模式，C4為輸入耦合電容，R11為平衡電阻，R14和R15分壓得到電源電壓的一半Vcc/2，為LTC1967的輸入端提供Vcc/2的偏置電壓，C24實現電源旁路濾波，相當于3腳交流接地。最終實現2腳單端輸入。LTC1967內部實現交流信號—直流電壓的轉換，并且，5腳輸出的直流電壓等于2腳輸入的交流信號的有效值。5腳外接電容C5實現輸出濾波，濾除輸出電壓中的交流紋波。

（四）數據采集模塊

本設計需要采集RMS-DC轉換后的電池和取樣電阻兩端的壓降，采集的數據傳輸給單片機處理，為此選用8位模數轉換芯片ADC0808實現數據采集，選用ADC0808的26、27引腳作為數據采集的輸入端，輸出端連接單片機的I/O口P2。采集模塊如圖6所示。

四、軟件設計

蓄電池內阻測量系統軟件采用C語言編寫，采用模塊化程序設計，包括主程序、數據轉換子程序、數據處理子程序、顯示子程序等。本設計主要是單片機控制DDS芯片產生正弦信號，啟動ADC的中斷使ADC能夠進行數據采集并傳輸給單片機，單片機再把數據傳送給液晶屏進行顯示，系統主程序流程圖如圖7所示。

五、系統測試結果

在測試中，測試電池為安警 12V/17Ah 的鉛酸蓄電池，使用Fluke BT520蓄電池內阻檢測儀測試電池與本設計所得結果作對比，本設計激勵測試信號源的頻率為1kHz，信號源幅度可根據具體電路通過電位器調節合適的大小，對蓄電池進行內阻測量，與檢測儀結果對比見表1，最大誤差為4mΩ，測量誤差主要由ADC轉換精度、RMS-DC轉換精度所產生，從表1可以得出本設計可以精確測量內阻。

六、結語

本文設計了基于交流阻抗法的蓄電池內阻測量系統，運用全新電路，使用低頻功率放大器LM386、儀表放大器INA118和RMS-DC轉換芯片LTC1967等新器件，與現有方案對比，該測量方法適用電池范圍廣、測量精度高、應用簡便、成本低，能滿足電池內阻的測量要求。

參考文獻

[1]馮建，胡俊杰，胡斌.交流注入式電池內阻測試儀電阻參數的校準方法[J].計量學報，2020，41（05）：592-596.

[2]吳歡歡，邵素霞，代娟，等.鋰離子電池2種內阻測試方法關聯性的研究[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2023，46（07）：1003-1008.

[3]王蕊，董亮亮，孔國利.采用FPGA的動力鋰電池內阻智能檢測裝置[J].電子器件，2021，44（01）：225-230.

[4]謝永成，李光升，魏寧，等.基于LabVIEW的蓄電池內阻測量設計[J].電源技術，2020，44（01）：113-115.

作者單位：陜西理工大學物理與電信工程學院

責任編輯：張津平、尚丹