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

關(guān)鍵詞：單片機；交流阻抗法；蓄電池內(nèi)阻

一、前言

蓄電池是移動電子設(shè)備和電動交通工具中不可或缺的電源部件，其性能品質(zhì)直接影響電子設(shè)備的工作狀況。研究表明，蓄電池的內(nèi)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(guān)性，一般而言，電池的容量越大，其內(nèi)阻就越小，通過對內(nèi)阻的測量就能評估容量的大小[1]。此外，蓄電池內(nèi)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(nèi)阻是評估電池性能的重要依據(jù)。蓄電池內(nèi)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(yīng)用，但是也存在一些缺點。該方法對蓄電池內(nèi)阻進行檢測必須是在靜態(tài)或脫機狀態(tài)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(xiàn)了蓄電池內(nèi)阻的快速、準確測量。

二、蓄電池內(nèi)阻測量原理

交流阻抗法測量蓄電池內(nèi)阻不需要對電池放電，可以在任意狀態(tài)進行實時測量。但蓄電池內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)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(lián)，測量出電阻兩端的直流電壓，即可得出蓄電池內(nèi)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(shè)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(chǎn)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(chǎn)生的壓降，經(jīng)過精密儀表放大器INA118進行放大，由RMS-DC轉(zhuǎn)換芯片LTC1967把交流電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換芯片LTC1967轉(zhuǎn)換成直流電壓，兩個LTC1967的直流輸出電壓由AD轉(zhuǎn)換器ADC0808采集，單片機根據(jù)式（1）進行計算，液晶屏顯示出測量結(jié)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(shè)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(diào)節(jié)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(nèi)阻上產(chǎn)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(xiàn)測試信號的電流和功率放大。

圖3中，DDS產(chǎn)生的測試信號從LM386的3腳輸入。放大后的信號經(jīng)C12耦合輸出。C10、C11為電源濾波電容，C8為旁路電容。改變串聯(lián)電阻R3的阻值可改變輸出信號的幅度。RV1和C9為增益調(diào)節(jié)，改變RV1可調(diào)節(jié)其增益，從而調(diào)節(jié)其輸出電流，以便使測試信號在蓄電池內(nèi)阻上產(chǎn)生適當?shù)膲航怠?/p>

（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(nèi)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(wěn)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(huán)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(diào)節(jié)，阻值越大增益越小。儀表放大電路如圖4所示。

本設(shè)計需要將電池和測試電阻兩端交流電壓信號轉(zhuǎn)換為直流電壓信號，以便于采集和計算。為此，選擇RMS-DC轉(zhuǎn)換芯片LTC1967實現(xiàn)高線性度的交流電壓信號轉(zhuǎn)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(xiàn)電源旁路濾波，相當于3腳交流接地。最終實現(xiàn)2腳單端輸入。LTC1967內(nèi)部實現(xiàn)交流信號—直流電壓的轉(zhuǎn)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(xiàn)輸出濾波，濾除輸出電壓中的交流紋波。

（四）數(shù)據(jù)采集模塊

本設(shè)計需要采集RMS-DC轉(zhuǎn)換后的電池和取樣電阻兩端的壓降，采集的數(shù)據(jù)傳輸給單片機處理，為此選用8位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0808實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，選用ADC0808的26、27引腳作為數(shù)據(jù)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(shè)計

蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，采用模塊化程序設(shè)計，包括主程序、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序等。本設(shè)計主要是單片機控制DDS芯片產(chǎn)生正弦信號，啟動ADC的中斷使ADC能夠進行數(shù)據(jù)采集并傳輸給單片機，單片機再把數(shù)據(jù)傳送給液晶屏進行顯示，系統(tǒng)主程序流程圖如圖7所示。

五、系統(tǒng)測試結(jié)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(nèi)阻檢測儀測試電池與本設(shè)計所得結(jié)果作對比，本設(shè)計激勵測試信號源的頻率為1kHz，信號源幅度可根據(jù)具體電路通過電位器調(diào)節(jié)合適的大小，對蓄電池進行內(nèi)阻測量，與檢測儀結(jié)果對比見表1，最大誤差為4mΩ，測量誤差主要由ADC轉(zhuǎn)換精度、RMS-DC轉(zhuǎn)換精度所產(chǎn)生，從表1可以得出本設(shè)計可以精確測量內(nèi)阻。

六、結(jié)語

本文設(shè)計了基于交流阻抗法的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)，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(zhuǎn)換芯片LTC1967等新器件，與現(xiàn)有方案對比，該測量方法適用電池范圍廣、測量精度高、應(yīng)用簡便、成本低，能滿足電池內(nèi)阻的測量要求。

參考文獻

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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