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基于AD630实现蓄电池内阻在线测量

2011/3/9 15:24:13  来源:中国计量测控网 
字号: 13号字 16号字

  摘 要:针对目前蓄电池内阻在线测量存在的不足,设计实现了一套实用的蓄电池内阻在线测量系统。该系统运用四引线连接法,将一定频率的交流信号注入电池,再将电池两端产生的微弱信号通过前置放大滤波,送入AD630 进行相关检测,有效地抑制了噪声和干扰,简化了设计,实现了蓄电池内阻的在线测量。实验结果表明,该系统可有效地应用于蓄电池内阻的在线测量,且测量结果稳定可靠。

  0 引 言

  蓄电池内阻是体现电池性能的重要参数之一,通过研究发现,蓄电池容量和健康状态与内阻有着密切的关系,因此通过内阻的变化,实现对蓄电池的在线监测是目前公认的蓄电池维护的最佳方案之一。蓄电池的内阻一般都很小,只有几十毫欧甚至几毫欧,用直流放电法测量内阻速度慢,且不能实现在线测量,用交流注入法测量的信号很微弱,被充电器以及环境中的噪声所淹没,因此如何有效地抑制噪声也就成了蓄电池内阻在线测量的关键技术。运用锁相放大器可以实现电池内阻在线测量,但是,锁相放大器价格昂贵,使用复杂,用来测量蓄电池内阻,计算过程比较繁琐,一般很难掌握。本文利用AD630 实现了锁相放大,设计、开发了一套电池内阻在线测量系统,并在国家级物理实验教学示范中心建设经费的支持下,完成了该课题,投入到近代物理实验教学中。通过运行,充分说明该系统测量精度高、速度快、抗干扰能力强,实现了电池内阻的在线测量,达到了设计要求,市场应用前景广阔。

  1 测量原理

  实现电池内阻在线测量的基本原理如图1 所示。

  
图1 蓄电池内阻在线测量原理框图

  当信号源给电池注入一个交流电流信号时,测量出在电池两端产生的交流电压信号和输入电流,就可计算出电池的内阻:

  式中: Vrms 为电池两端交流电压信号的有效值; I rms 为输入电池中交流电流信号的有效值。

  采用交流法测量电池内阻,不需要对电池进行放电,从理论上讲电池在任何状态下都能对其实施测量。

  在实际测量中,由于电池的内阻在微欧或毫欧级,注入一定的电流后,在电池两端产生的电压信号非常微弱,往往被噪声淹没,放大后再测量,用交流电压表很难区分出来有用的信号,需要用相关检测的原理,才能测量出电池两端的交流电压信号。

  运用相关器检测微弱信号的原理如图1 中相关检测部分所示,它由开关式乘法器和积分器组成,蓄电池两端检测到的微弱信号经过前置放大滤波后输入到乘法器信号输入端,注入蓄电池的正弦波信号通过电路变换形成方波信号后,输入到乘法器参考信号端。若电池两端的有用信号为V s( t) ,混入的噪声为n1 ( t) ,则输入端的混合信号为f 1 ( t ) = Vs ( t) + n1 ( t) ; 参考端的有用信号为Vr ( t- τ) ; 当混入的噪声为n2 ( t - τ) ,则参考端的混合信号为f 2 ( t -τ)= V r ( t - τ) + n2 ( t-τ) 。

  根据相关检测的原理,通过乘法器相乘运算,信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的,它们的相关函数为零,只有信号和信号相关,且可从噪声中检出。具体可表示为:

  当蓄电池两端检测到的正弦信号为V s( t) ,方波参考信号为V r ( t - τ) :

  则:

  因为电池两端的信号频率和参考信号基波频率相同,即ωr = ωs ,积分器的输出为:

  式中: K 只与积分器的传输系数有关; φ为检测信号与参考信号相位差。

  如果调整φ= 0,则输出直流信号达到最大值,充分说明,通过乘法器和积分器以后,抑制了噪声。在输入信号和电路传输系数一定的情况下,输出信号的大小只与电池的内阻成比例,只要测出蓄电池两端交流电压值和通过蓄电池的交流电流值,就能计算出蓄电池的内阻,实现在线测量。

  2 测量系统的硬件电路设计

  依据上述原理所设计的系统原理框图如图2 所示,由通路选择开关电路、前置放大带通滤波器、AD630 乘法器电路、积分器电路、交流恒流信号产生电路、方波转换电路、取样电路、单片机控制系统以及外部显示通讯等组成。由于蓄电池的内阻很小,故必须降低导线阻抗对电池内阻的影响,因此采用四引线连接法。系统输出的交流恒流信号接到电池两端,再将电池内阻产生的电压信号,连接到输入转换开关电路。上电后,首先由单片机控制调整检测信号和参考信号的相位差!使之为0。开始测量后,先由模拟开关CD4052 选通电流测量通路,该通路在向蓄电池注入交流信号的回路中设置一标准取样电阻,以测定交流信号的电流值; 再选通电压测量通路,测定电压值。采集到的信号通过放大滤波等处理后送入单片机中,利用式( 1) 算出蓄电池的内阻。

  
图2 电池内阻在线测量系统框图

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