基于AD630實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測量

1、基于AD630實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測量時間：2011-03-15 13:10:46 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng) 作者：郭 亮，陳寶明，董有爾，喬曉艷摘要：針對目前蓄電池內(nèi)阻在線測量存在的不足，設計實現(xiàn)了一套實用的蓄電池內(nèi)阻在線測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)運用四引線連接法，將一定頻率的交流信號注入電池，再將電池兩端產(chǎn)生的微弱信號通過前置放大濾波，送入AD630進行相關檢測，有效地抑制了噪聲和干擾，簡化了設計，實現(xiàn)了蓄電池內(nèi)阻的在線測量。實驗結果表明，該系統(tǒng)可有效地應用于蓄電池內(nèi)阻的在線測量，且測量結果穩(wěn)定可靠。關鍵詞：蓄電池內(nèi)阻；交流注入；AD630；相關檢測0 引言 蓄電池內(nèi)阻是體現(xiàn)電池性能的重要參數(shù)之一，通

2、過研究發(fā)現(xiàn)，蓄電池容量和健康狀態(tài)與內(nèi)阻有著密切的關系，因此通過內(nèi)阻的變化，實現(xiàn)對蓄電池的在線監(jiān)測是目前公認的蓄電池維護的最佳方案之一。蓄電池的內(nèi)阻一般都很小，只有幾十毫歐甚至幾毫歐，用直流放電法測量內(nèi)阻速度慢，且不能實現(xiàn)在線測量，用交流注入法測量的信號很微弱，被充電器以及環(huán)境中的噪聲所淹沒，因此如何有效地抑制噪聲也就成了蓄電池內(nèi)阻在線測量的關鍵技術。運用鎖相放大器可以實現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測量，但是，鎖相放大器價格昂貴，使用復雜，用來測量蓄電池內(nèi)阻，計算過程比較繁瑣，一般很難掌握。本文利用AD630實現(xiàn)了鎖相放大，設計、開發(fā)了一套電池內(nèi)阻在線測量系統(tǒng)，并在國家級物理實驗教學示范中心建設經(jīng)費的支持下，

3、完成了該課題，投入到近代物理實驗教學中。通過運行，充分說明該系統(tǒng)測量精度高、速度快、抗干擾能力強，實現(xiàn)了電池內(nèi)阻的在線測量，達到了設計要求，市場應用前景廣闊。1 測量原理 實現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測量的基本原理如圖1所示。當信號源給電池注入一個交流電流信號時，測量出在電池兩端產(chǎn)生的交流電壓信號和輸入電流，就可計算出電池的內(nèi)阻： 式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號的有效值；Irms為輸入電池中交流電流信號的有效值。 采用交流法測量電池內(nèi)阻，不需要對電池進行放電，從理論上講電池在任何狀態(tài)下都能對其實施測量。在實際測量中，由于電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級，注入一定的電流后，在電池兩端產(chǎn)生的電壓信號非常微弱，往

4、往被噪聲淹沒，放大后再測量，用交流電壓表很難區(qū)分出來有用的信號，需要用相關檢測的原理，才能測量出電池兩端的交流電壓信號。 運用相關器檢測微弱信號的原理如圖1中相關檢測部分所示，它由開關式乘法器和積分器組成，蓄電池兩端檢測到的微弱信號經(jīng)過前置放大濾波后輸入到乘法器信號輸入端，注入蓄電池的正弦波信號通過電路變換形成方波信號后，輸入到乘法器參考信號端。若電池兩端的有用信號為Vs(t)，混入的噪聲為n1(t)，則輸入端的混合信號為f1(t)=Vs(t)+n1(t)；參考端的有用信號為Vr(t-)；當混入的噪聲為n2(t-)，則參考端的混合信號為f2(t-)=Vr(t-)+n2(t-)。 根據(jù)相關檢測的

5、原理，通過乘法器相乘運算，信號和噪聲、噪聲和噪聲之間是互相獨立的，它們的相關函數(shù)為零，只有信號和信號相關，且可從噪聲中檢出。具體可表示為： 當蓄電池兩端檢測到的正弦信號為Vs(t)，方波參考信號為Vr(t-)： 因為電池兩端的信號頻率和參考信號基波頻率相同，即r=s，積分器的輸出為： 式中：K只與積分器的傳輸系數(shù)有關；為檢測信號與參考信號相位差。 如果調(diào)整=0，則輸出直流信號達到最大值，充分說明，通過乘法器和積分器以后，抑制了噪聲。在輸入信號和電路傳輸系數(shù)一定的情況下，輸出信號的大小只與電池的內(nèi)阻成比例，只要測出蓄電池兩端交流電壓值和通過蓄電池的交流電流值，就能計算出蓄電池的內(nèi)阻，實現(xiàn)在線測量

6、2 測量系統(tǒng)的硬件電路設計 依據(jù)上述原理所設計的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由通路選擇開關電路、前置放大帶通濾波器、AD630乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號產(chǎn)生電路、方波轉換電路、取樣電路、單片機控制系統(tǒng)以及外部顯示通訊等組成。由于蓄電池的內(nèi)阻很小，故必須降低導線阻抗對電池內(nèi)阻的影響，因此采用四引線連接法。系統(tǒng)輸出的交流恒流信號接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓信號，連接到輸入轉換開關電路。上電后，首先由單片機控制調(diào)整檢測信號和參考信號的相位差使之為0。開始測量后，先由模擬開關CD4052選通電流測量通路，該通路在向蓄電池注入交流信號的回路中設置一標準取樣電阻，以測定交流信號的電流值；再選

7、通電壓測量通路，測定電壓值。采集到的信號通過放大濾波等處理后送入單片機中，利用式(1)算出蓄電池的內(nèi)阻。21 放大濾波電路 由于采集到的信號非常微弱，所以必須先進行前級放大濾波再輸入相關器中。如圖3所示，低噪聲前置放大器由儀用放大器AD620和帶通濾波器組成。 AD620是一種高性能儀器放大器，性能穩(wěn)定，增益可調(diào)，其放大倍數(shù)由1腳和8腳之間的電阻RG決定，G=1+(494 kRG)。信號經(jīng)過其放大后，通過帶通濾波器檢測出043 kHz的帶通信號，輸送到乘法器信號端。直流放大電路采用高精度運放OP27實現(xiàn)程控增益放大，放大器的反饋電阻利用模擬開關CD4052進行選擇，通過單片機控制選擇放大倍數(shù)，

8、使信號在最佳AD采集電壓范圍內(nèi)。22 相關運算電路 在設計中相關器采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。它的信號處理應用包括平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢測、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大和方波乘法等。AD630邏輯圖如圖4所示，其內(nèi)部可以被認為是集成了兩個前置放大器，一個用來選通前置放大器的精密比較器，一個作為多路選擇開關以及輸出級積分運算放大器。擁有高切換速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應時間快速，可使開關失真降至最低。此外，還有極低的通道間串擾。AD630通常用于高精度的信號處理以及動態(tài)范

9、圍寬的儀器設備。在鎖相放大電路中，當其用作同步解調(diào)器時，可以恢復在100 dB噪聲背景下的微弱信號。AD630最優(yōu)的工作頻率是在1 kHz，故注入蓄電池的信號和參考信號選為1 kHz，同時1 kHz也處于適宜的電池內(nèi)阻頻率響應范圍，不過其在零點幾兆赫茲時仍然可正常工作。 采用AD630作為乘法器實現(xiàn)的相關檢測電路原理圖如圖5所示。其中，AMP A和AMP B分別配置為正相放大器和反相放大器。輸入信號為一路待檢測信號和一路參考信號。待檢測信號通過1腳送入，參考信號通過9腳輸入到比較放大器。待檢測信號在器件內(nèi)部根據(jù)載波信號的正負進行翻轉，實現(xiàn)了開關乘法功能。3 實驗結果與分析31 前置放大與濾波結

10、果分析 設計中前置放大要求為100倍，根據(jù)AD620中RG計算公式RG=494 k(G-1)計算出RG為499 。在此對電容誤差為±5，電阻誤差為±1的放大電路使用Multisim軟件進行仿真，如圖6所示，通道A為輸入信號，通道B為經(jīng)過AD620放大后的輸出信號，若輸入信號有效值為13621 mV，則輸出為1366 48 V，可實現(xiàn)精確穩(wěn)定的放大。32 帶通濾波結果分析 帶通濾波是通過一級低通濾波器和一級高通濾波器實現(xiàn)的。低通濾波器是采用多重反饋型的LPF，如圖3中U2級所示，可解得該濾波器傳遞函數(shù)為： 由于當時通帶截止，所以由可解得截止頻率f=037(2RC)。按照設計要

11、求選取R=20 k，C=1 nF，仿真得到其頻率特性如圖7所示。由圖7可看出，當增益為-3 dB時所對應的頻率為3 kHz，同理設計的高通濾波器頻率特性如圖8所示。33 AD630結果分析 按照AD630設計要求連接好電路，實現(xiàn)乘法效果如圖9所示，通道3為輸入信號，通道2為參考信號，通道1為輸出信號，信號端和參考端輸入1 kHz的正弦信號，輸出則為兩信號相乘的結果。經(jīng)過AD630實現(xiàn)乘法后，再將相乘后的信號送入積分器中，可將噪聲從信號中濾去，變?yōu)橹绷餍盘?。在信號中混?0 dB的噪聲，通過以AD630為核心的相關器檢波如圖10所示，使通道3為原始信號，通道4，1分別是混入噪聲和通過AD630后

12、的信號波形；通道2為積分后的直流信號，其值等于原始信號通過相關檢測后的值。該設計很好地抑制了噪聲，在內(nèi)阻測量系統(tǒng)中可很好地將所需信號檢測出來。34 系統(tǒng)測試結果分析 按照文中的思路方案設計制作了一套電池內(nèi)阻在線測量系統(tǒng)，并與使用stanford SR830所測得的結果進行了對比。測試電池為使用一年左右的環(huán)宇牌12 V，15 A·h鉛酸蓄電池，測試結果如表1所示。由表1的測量數(shù)據(jù)可以看出，該系統(tǒng)與stanford SR830的測量結果基本吻合。 圖11是一只6 V，45 A·h的蓄電池放電過程中在線測量的內(nèi)阻曲線圖，電池充滿電后對其進行放電，放電電流選擇為650 mA。放電過程中內(nèi)阻值逐漸增大，在放電的初期內(nèi)阻變化率很小，到后期開始有明顯的變化。在蓄電池剩余容量為50以上時，內(nèi)阻值變化很小，當容量降至40以下時，則內(nèi)阻值有明顯變化，尤其在20以下時，隨著容量的減少，內(nèi)阻值急劇增大，此時應注意對蓄電池及時進行充電，避免對蓄電池造成損害。 圖12為蓄電池充電過程中的內(nèi)阻曲線圖。將蓄電池放電至截止電壓后，選取200 mA電流對其進行充電