基于Cortex-M3的电池内阻检测系统设计与实现

张乐芳，荆炳礼，任志宏

（西安欧亚学院 信息工程学院，陕西 西安 710065）

电源是电子、电器设备的重要组成部分，而电池则是移动电子产品中不可或缺的电源部件。电子产品中的电源或电池模块直接影响电子产品的工作状况。对于移动电子、电器产品，大到工业设备，如电动汽车、矿山设备，中到家用电动摩托车，小至手机、Ipad等手持设备，无一不与电池设备有关，电池性能对电子、电器设备性能具有举足轻重的作用[1]。电池的性能指标包括：电池容量、能比、负载特性、寿命等多项参数，而电池性能的评估，一般是通过对电池内阻参数的测量得到，因为电池内阻直接影响电池的负载能力，也是间接评估电池性能的依据。

目前国内外测量电池内阻的常见方法有密度法、开路电压法、直流放电法和交流注入法等多种测量方法[2-3]。上述方法，适用于小容量电池或实验室测量，对于大容量或超大容量电池测量，存在测量精度差、发热、易损电池等致命问题，是工业应用中亟待解决的问题，大容量电池性能测量难以通过直流放电法精确测量。

在实验室精密测量实验中，常采用电位差原理测量精密表头或小容量电池内阻[4]。该原理的测量精度，取决于测量仪器精度、测量方法、被测对象内阻的大小、测量过程、与内阻等效串联的连线电阻等多种因素。例如：小容量叠层电池，由于内阻较大，且对测量过程无特殊要求，用电位差原理，可得到很高的测量精度，也不会对电源造成不良影响。但该原理不能用于大容量电池的内阻测量，原因在于：1）长时间（秒级）大电流放电易损电池；2）线路电阻严重影响测量精度。

根据上述测量原理存在的问题，综合开路电压法和直流放电法原理，设计了基于位差原理和CORTEX-M3微处理器控制的电池内阻测试设备，即分别测量电池的空载电压Ue和负载电压UL，利用测量参数Ue、UL和已知负载电阻RL，通过计算间接测量电池内阻Ri，其优点在于：1）勿需大电流放电，避免电池及触头发热现象；2）瞬间（微秒级）放电和快速测量，无损电池；3）线路电阻与测量结果无关，测量精度极高。该原理在工业检测应用中得到了验证。

1 测量原理

1.1 测量电路

考虑到Cortex-M3微处理器（STM32F103）数据采集的电平要求及原理验证测试的方便，采用标称3.6 V的大容量锂电池及分压电路作为测试电路，如图1所示。

图1 测试原理电路Fig.1 Test circuit principle

1.2 元件作用及参数选择

E：等效的理想电压源，待测参量；Ri：串联等效的电池内阻，待测参量；

负载测量支路：包括K2开关和分压电阻Rl1、Rl2。Rl1和R2组成负载分压器，电阻参数选择，应满足数据采集端口的电平要求和重负载放电的要求，本支路选择R1=1Ω，R2=2Ω。

空载测量支路：包括开关K1和分压电阻Re1、Re2。Re1和Re2组成空载分压器，分压同比RL支路，但其参数选择应远大于RL支路，以不影响空载电压的测量精度。本支路选择R1=1 kΩ，R2=2 kΩ，分压比相同，支路电流相差 1 000倍，满足上述测量条件。

UE0、UL0：分别是空载和负载电压测量端，利用测量数据，计算并间接测量电池的空载及负载状态的电池端电压U0，并根据位差间接测量电源内阻Ri。

K1和K2是用于测量控制的电子开关，其通态电阻仅为12 mΩ左右，可忽略其对电路的影响。

1.3 测量原理

图1电路中，两条支路的工作分别由K1、K2电子开关控制，且不同步。空载电压测量时，断开K2，闭合K1，根据电阻分压原理，得到空载分压输出为：

负载输出电压时，如图1所示。

两次测量压（位）差之比

由于 Re1、Re2和 Rl1、Rl2为已知参数，Vlo和 Veo为已测参数，则利用（3）式可求出电池内阻Ri。为简化推证，把上述元件参数代入（3）式，得到：

式中C为两次测量的位差比值，为已知参量。变换（4）式，最终得到：

2 仿真测试

利用电路仿真软件对上述公式进行仿真验证。仿真测试中：仿真软件为TINA V8.0工业版；空载测试支路参数选择：（Re1+Re2）＞＞（Rl1+Rl2）；内阻 Ri：变参数测试验证；仿真测试电路：参照图1。

2.1 仿真测试电路

分别接通和断开图1电路中的K1和K2测试开关，则空载电压和负载电压仿真测试等效电路如图2所示，图2（a）表示空载仿真测试图，图2（b）表示负载仿真测试图。

图2 仿真测试图Fig.2 Simulation test pattern

2.2 仿真测试验证

根据上述参数选取原则，选择图2所示元件参数，利用公式（5）计算不同Ri时的仿真测量值及误差分析，如表1所示。

表1 仿真测试数据表Tab.1 Simulation test data table

表1的测试结果验证了利用位差原理测量电源或电池内阻的原理正确，具有极高的精度。

3 硬件设计

实际测试系统的实现是基于Cortex-M3架构的32位微处理器，利用片上内置的自校准、高速、高性能12位ADC数据采集模块，并采用分时逻辑控制原理实现空载电压和负载电压的测试，以消除由于测量过程引起的电池发热、损坏等问题。

测试系统结构图及原理图如图3所示。

图3 基于Cortex-M3核的硬件测试原理图Fig.3 Based on the Cortex-M3 hardware principle diagram of the test

图4 基于Cortex-M3核的硬件测试结构图Fig.4 Based on the Cortex-M3 hardware test structure

电路图说明：R1～R3、T1、M1—空载测量控制开关。 R4～R6、T2、M2—负载测量控制开关。其他元器件作用及功能同前。

4 软件设计

在实际应用中，仅测量静态内阻（即单点测量）可以满足一般的工业应用要求，但在电池或电源性能研究应用中，则同时要求跟踪电源特性，即电源内阻的动态性能测量[5-7]。本系统设计具有静态内阻和动态内阻测量功能。如图5和图6所示。

图5表示静态（单点）数据采集流程图，静态（单点）测试逻辑辑是根据单点数据采集而进行的。图6表示动态（多点）数据采集流程图，动态监测要求连续曲线输出，以实现精密、直观测量。

图5 单点数据采集流程图Fig.5 Single point flow chart of data collection

图6 多点数据采集流程图Fig.6 More flow chart of data collection

5 测试结果

5.1 负载单点测量数据

下表列出了3种低效手机电池、单点、重复（4次）测试的内阻数据。

表2 手机电池测试内阻数据Tab.2 Mobile phone battery internal resistance test data

5.2 动态内阻测试显示

电池在连续重负载条件下电池电压、电流及内阻变化曲线可以实时显示其充电电流、电压、温度等，显示效果较好，使用者可以实时了解电池的当前状态，方便用户使用。

6 结束语

基于电位差原理和Cortext-M3核微处理器控制的电池内阻检测系统的应用，实践表明：测试原理正确，结果精确，应用于该项目，完全满足应用要求，在精密检测及工业检测设备中具有广阔的应用前景。

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