基于ARM的蓄电池内阻测试仪的设计

张聪 姜波

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 430064）

0 引言

蓄电池的内阻与容量有着密切的关系，电池内阻的变化趋势，反映电池性能和寿命的变化趋势。因此，用内阻检测法测定蓄电池的性能，实现蓄电池的在线维护，是目前公认的蓄电池维护的最佳方案之一[1]。它能节省维护成本，并提供更多蓄电池的相关信息。内阻测试法已被 IEEE列为“阀控密闭铅酸蓄电池（VRLA）的维护、测试和更换的推荐办法”中的一个部分。

本设计采用基于ARM单片机技术的四线交流法来实现电池内阻的测量。交流法通过对电池注入一个低频交流电流信号，测出蓄电池两端的低频电压和流过的低频电流以及两者的相位差，从而计算出电池的内阻。交流法由于无须放电，不用处于静态或脱机状态，可以实现安全在线监测管理，避免了对设备运行安全性的影响。同时施加的低频信号频率非常之低，施加的交流电流也非常小，故不会对蓄电池的性能造成影响，并且不需要负载箱[2]。

1 测试原理

系统采用交流法测量，见图 1。其方法即在蓄电池两端施加一交流激励电流信号 Is，测出蓄电池两端电压响应信号 V0，并测出 Is和 V0之间的相位差φ。

图1 测量电池内阻原理图

由公式sIVZ0=及φcosZr=确定蓄电池内阻r。

信号经过限流电阻R和隔直电容C加到待测电池两端，给电池注入交流信号，从电池两端取出信号，送入后续信号调理电路，这样将注入电流回路和信号测量回路分开，实现四线交流法测量，降低了导线阻抗对电池内阻测量的影响。

火车上的备用照明蓄电池一般容量为 200 Ah左右，内阻约为1 mΩ，因此注入100毫安的电流，响应为100μV，经过信号处理完全可以准确测得电池两端的电压响应信号。

由 NorthStar蓄电池公司化学博士Dr.F.A.Fleming起草（9/13/2004）的文件中提到“要最大程度地获取电路中各个参数的信息，所施加的交流电信号频率非常关键。”“要在电路中获取最多信息，即最大程度地反映NSB电池的物理化学属性，电信号的理想频率应在 10～50 Hz之间。”目前，国内大多数阻抗测试仪所使用的测试信号的频率高达几百甚至几千赫兹，只有极少数测试仪表所使用的测试信号频率在最佳频率范围中间[3]。因此，本系统选择信号的频率为40 Hz，它可以有效避免工频干扰带来的影响。

2 硬件设计

PHILIPS公司的 LPC2294功耗极低，它有16kB片内静态RAM和256kB片内Flash程序存储器，拥有多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口和2个SPI接口，8路10位A/D转换器，2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道），多达112个通用I/O口（可承受5V电压），这一款单片机功能十分强大，非常适合用来设计便携式仪器，所以本系统采用LPC2294HBD144作为CPU。

整个硬件电路可分为以下几个主要模块：信号源模块、信号调理模块、A/D转换模块、液晶显示模块。具体电路组成可用图2所示框图描述。

LPC2294的定时器控制信号发送的频率，通过SPI口发送数字转换信号到数模转换器，转换后的

图2 测试仪硬件结构框图

模拟信号经功放芯片放大后送电池激励，调理后的激励信号经AD转换器转换后送CPU处理，电压、电流之间的相差经相位差转换电路转换后变为方波，定时器对方波计数以求出相差。

在电路的具体实现中，采用了 12位的具有SPI接口的 D/A转换器 DAC7513，与 LPC2294可直接接口，功率放大器选用 OPA551，这款功率运算放大器可输出200 mA的电流，并且放大倍数可任意选择，完全满足需要，信号调理电路采用TLC2262，AD620两种超低功耗运放，保证了整机的低功耗，液晶选用点阵图形液晶模块NS240128A[4]。

2.1 电压信号调理电路

由于电池内阻很小，因此，电池两端产生的激励电压信号很微弱，容易受到噪声干扰。为了准确测量激励电压，必须对信号进行放大和滤波处理，以滤除激励电压频率以外的噪声和干扰。电压信号调理电路框图如下：

图3 电压信号调理框图

差分放大器具有双端输入-单端输出、共模抑制比高的特点，具有较强的抗干扰能力，二阶有源带通滤波器有很好的稳定性，也可方便地设定中心频率和品质因子。在无法定制精密电阻电容的情况下，带通滤波器的中心频率往往会偏离设计值，因此需要微调激励信号的频率，在（40±1）Hz的范围里微调到Q值最高的频率点。

2.2 采样电路

为了提高仪器的测试精度，我们选用了高精度的转换器 AD7865。它是一种高速、低功耗、四通道同步采样的14位A/D转换器，采用+5V供电。芯片内部包含一个比较器，四个跟踪/保持放大器，内部2.5 V参考电压和一个14位的高速并行口。芯片的四个同步采样通道可保持四路信号的相对相位信息[5]。该芯片系列有三种型号，本设计采用的是AD7865-1。

LPC2294的P0.11与AD7865的CONVST连接，作为启动转换信号，P0.9与BUSY相连，检测转换是否结束，其中，/H/S和SL4接低电平，SL1～SL3接高电平，即本设计使用的是硬件通道选择，且选择了三个通道，三个信号分别从管脚VIN1～VIN3输入。

图4 A/D转换器接口电路

2.3 液晶接口

NS240128A点阵图形液晶模块的点象素为240×128点，外部显示存储器为32 kB。液晶模块采用8位总线接口与微控制器连接，该模块没有地址总线，显示地址和显示数据均通过 DB0～DB7接口实现。由于模块的工作电源是 5 V而LPC2294的I/O电压为3.3 V，所以在总线上串接470 Ω的保护电阻。图形液晶模块的C/D与A1连接，使用A1控制模块处理数据/命令。由于液晶显示模块是LPC2294的一个慢速外设，要使两者的速度达到匹配，在每条指令之间加入一定的延时，一般为1 µs以上。接口电路如图5所示。

图5 液晶接口电路

3 软件设计

电池内阻测试仪采用 ARM 公司推出的ADS1.2作为软件开发平台，完成采集数据的处理，显示被测蓄电池的内阻值。它还包含过载报警，当测量值超出测量范围时，发出警告。其主程序流程图见图6，定时器1设计流程如图7。

程序采用模块化设计，增强了程序的可读性和移植性。主要模块包括D/A转换程序，A/D采样程序，脉宽计数程序，内阻计算程序和液晶显示程序。

图6 电池内阻采集程序流程图

图7 定时器1设计流程图

4 试验结果

样机经校准机构校准，系统运行可靠，各项指标达到设计要求。具体测试数据如下：

表1 校准数据

5 结束语

研制的样机经实际测试，单体电池内阻的测量范围为(1～10)mΩ，精度优于5%。由于采用了单片机，提高了测试仪的便携性，具有实际应用价值。

[1]朱磊, 赵林英. 基于LabVIEW实现的电池内阻测试仪[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2005, 10(5)： 67～69

[2]李立伟,邹积岩. 蓄电池内阻测量装置的研究[J]. 工装设备, 2003, 27(1)： 42～44.

[3]林大华. 国外蓄电池日常维护测试技术[J]. 电信工程技术与标准化, 2007, (6)： 81～83.

[4]夏天, 伍小生. 便携式蓄电池内阻测试仪的研制[J].电源技术, 2007, 31(1)： 49～52.

[5]王成海, 董建友. AD7865在电网数据采集中的应用[J]. 电子技术, 2002, (8)： 45～48.