微欧级蓄电池内阻测量方法

李杨锋，葛俊锋，叶 林，陈朝辉

(华中科技大学自动化学院，湖北武汉 430074)



微欧级蓄电池内阻测量方法

李杨锋，葛俊锋，叶 林，陈朝辉

(华中科技大学自动化学院，湖北武汉 430074)

针对目前微欧级蓄电池内阻测量存在的不足，设计了一套实用的微欧级蓄电池内阻测量系统。该系统运用四引线连接法，将1kHz的交流信号注入电池，再将电池两端产生的微弱信号通过差分放大、带通滤波，有效值转换等技术，有效地抑制了噪声和干扰，简化了设计，实现了微欧级蓄电池内阻的测量。实验结果表明，该系统可有效地应用于微欧级蓄电池内阻的测量，且测量结果稳定可靠。

微欧级；蓄电池内阻；交流注入；有效值转换

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[1]，因此通过内阻的变化，实现对蓄电池状态的监测是目前公认的蓄电池维护的最佳方案之一[2]。蓄电池的内阻一般都很小，只有几十μΩ甚至几mΩ，用直流放电法测量内阻速度慢，且不能在线测量。用交流注入法测量的信号很微弱，容易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测量的关键技术。运用锁相放大器可以实现蓄电池内阻测量，但是，锁相放大器使用复杂，而且使用锁相放大方法测量时，电池本身的电容对注入交流信号的相位有显著影响，测量结果误差较大[3]。文中利用差分放大、带通滤波、有效值提取等技术，设计开发了一套电池内阻测量系统，并通过实验验证了蓄电池内阻测量的效果，实验结果表明，该系统可有效地应用于微欧级蓄电池内阻的测量，且测量结果稳定可靠。

1 测量原理

蓄电池内阻测量的基本原理如图1所示。当信号源给电池注入一个交流电流信号时，测量出在电池两端和标准电阻产生的交流电压信号，就可计算出电池的内阻r

r=R·Vr/Vm

(1)

式中：Vr为电池两端交流电压信号的有效值；Vm为标准电阻两端交流电压信号的有效值；R为标准电阻阻值。

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

图1 基本测量原理图

在实际测量中，由于蓄电池的内阻在μΩ或mΩ，注入1 kHz的交流电流后，在电池两端产生的电压信号非常微弱，往往被噪声淹没。因此，首先要经过高通滤波电路，消除电池两端直流电压的影响，然后通过差分放大，及带通滤波，只保留1 kHz的有用信号，最后使用交流有效值转换芯片得到蓄电池两端交流电压信号的有效值。

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，由前置滤波、差分放大、带通滤波器、AD8436有效值提取、A/D转换、ARM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和接触电阻对电池内阻的影响，因此采用4引线连接法。系统输出的交流恒流信号接到电池和标准电阻两端，再将电池内阻产生的电压信号输入前置滤波电路。标准电阻产生的电压信号直接接入差分放大电路进行测量。A/D采集到的信号送入ARM系统中，利用式(1)计算出蓄电池的内阻。

图2 测量系统原理框图

2．1 电源选择

由于测量的有用信号非常微弱，外部的干扰对信号的影响也会很大，电源纹波大小对最后的测量结果准确程度密切相关。起初使用普通开关电源，测试结果波动较大，测量电源纹波峰峰值达到了200 mV，也就是最后测量电压会在±0．1V范围内波动，如果测量结果在2V左右，那就会产生5%的误差，这

个结果并不能满足测试要求。后来选用了线性电源模块，纹波峰峰值降低到10 mV左右，测量结果波动明显减小，测量准确性得到了保证。

2．2 放大滤波电路

由于采集到的信号非常微弱，所以必须先进行前级放大滤波再输入有效值转换电路中。如图3所示，电路由3个部分，高通滤波、差分放大和带通滤波器组成。

图3 放大滤波电路原理图

高通滤波电路主要是防止蓄电池本身的直流电压对测量电路造成影响，而需要通过的有用信号的频率是1 kHz，所以下限频率fL应小于1 kHz．设计中，高通滤波电路取R=1 MΩ，C=0．01 μF，符合设计要求。

差分放大使用AD8221，这是一款增益可编程、高性能仪表放大器，具有相对于频率的最高共模抑制比(CMRR)性能，其放大倍数由1脚和8脚之间的电阻RG决定，G= 1+ (49．4 kΩ/RG)。信号经过其放大后，通过带通滤波器检测出1 kHz的带通信号，输送到AD8436输入端；RG利用模拟开关CD4052进行选择，通过AD芯片的数字输出信号选择电阻，从而控制放大倍数，使信号在最佳A/D采集电压范围内。如果差分放大结果还不能满足测量要求，可以再接1个二级放大电路，使测量信号进一步放大。

带通滤波器使用的是1个无限增益多路反馈型滤波电路，由1个理论上具有无限增益运算放大器赋以多路反馈构成的滤波电路，带通滤波器中心频率应该在1 kHz左右。

2．3 有效值转换电路

RMS(Root Mean Square)定义为：任何波形的峰值平方和的平均值的平方根。RMS用公式(2)来表示

(2)

交流电压波形的RMS值等于在负载上产生相同热功率的直流电压。测量波形的有效值就可以反应出交流信号的峰峰值的大小，避免了其他测量方法中，正弦波信号相位变化而影响测量结果的情况。

AD8436是新一代精密跨导线性、低功耗、真RMS-TO-DC转换器单片系统[4]。它可以精确计算交流波形RMS值的直流等效值，可确保≤±0．5%的精度以及≤10 μV的输出失调。内置的高阻抗FET 缓冲提供了一个接口，可用于外部衰减器、频率补偿或驱动低阻抗负载。AD8436具有低功耗精密输入缓冲，适合便携式万用表和其他电池供电应用。

取波峰因数电容CCF=0．1 μF，波峰因数误差小于0．5%。由于消除了内部偏置电流，驱动低阻抗负载时，精密直流输出缓冲器可提供极低的失调电压，将误差降至最小。

图4 AD8436典型应用电路

AD8436典型应用电路如图4所示。带通滤波器输出的1 kHz正弦波接入AD8436的FET输入缓冲器，其失调电压小于等于500 μV.引脚IBUFOUT、IBUFIN-和IBUFIN+ 是I/O，引脚IBUFV+ 将电源连接到缓冲器。将引脚IBUFV+ 连接到正电源，负电源是在内部连接。由于输入级是FET，输入阻抗必须非常高以防止向信号源提供负载，因此在引脚IGND(中间电源电压)与引脚IBUFIN+之间连接一个大值(10 MΩ)电阻，以防输入级浮空为高电平。 对于单位增益，应将IBUFOUT引脚连接到IBUFIN-引脚。在缓冲器输出引脚(IBUFOUT)与RMS引脚之间连接一个电容，以便消除输入缓冲器失调电压产生的误差，工作频率为1 kHz，电容值取10 μF使误差最小。

3 实验结果与分析

3．1 差分放大结果分析

差分放大要求为100倍，根据 AD8221中RG计算公式RG= 49．4 kΩ/(G-1)计算出RG为499 Ω．在此对电容误差为±5%，电阻误差为±1%的放大电路使用OrCAD软件进行仿真，如图5所示。

图5 差分放大波形图

Vi为输入信号，Vo为经过AD8221放大后的输出信号，输入信号有效值为7．07 mV，输出为0．708 V，实现了精确稳定的放大。

3．2 带通滤波结果分析

采用多路反馈二阶带通滤波电路，如图3中U3级所示，使用OrCAD软件对滤波器参数进行仿真[5]，选出带通范围在1 kHz左右，性能较好的一组参数：C1=C11=10 nF，R5=250 kΩ，R7=100 kΩ，R10=1 kΩ．其频率特性如图6所示。

图6 带通滤波频率特性曲线

当增益为-3 dB时，对应的频率为914 Hz和1 094 Hz.通带很窄，可以有效滤除噪声信号，得到1 kHz的有用信号。

3．3 有效值转换结果分析

按照AD8436使用要求连接好电路，实现有效值转换如图7所示，通道2为输入信号，通道1为输出信号，输入信号为1 k Hz的正弦波信号，输出信号为有效值转换的结果。

图7 有效值转换波形

将滤波后的结果输入AD8436，得到其有效值信号，由于直接进行有效值转换，蓄电池内部电容对正弦波相位的影响可以忽略。该设计很好地抑制了噪声和其他干扰，在内阻测量系统中可很好地将所需信号检测出来。

3．4 系统测试结果分析

按照文中的方案，设计制作了一套铅酸蓄电池内阻测量系统，并与日置HIOKI3554蓄电池内阻测试仪所测得的结果进行了对比。测试蓄电池为使用一年左右的2 V，170 Ah丰日铅酸蓄电池，测试结果如表1所示。由表1的测量数据可以看出，该系统与日置HIOKI3554的测量结果基本吻合，且性能接近。两种测量方法测得的结果之间的系统误差是由测量方法及参数的不同引起的，但并不影响对蓄电池状态的监测。

表1 蓄电池内阻测试对比结果 μΩ

4 结束语

文中采用交流注入激励，差分放大，带通滤波及真有效值检测等方法实现了微欧级铅酸蓄电池内阻的测量。该方法能够在不影响蓄电池性能及使用的情况下快速、准确地测量出内阻，且测量结果稳定可靠，可以满足蓄电池容量及健康状态监测中对蓄电池内阻测量的需求，对蓄电池运行状态的监测意义重大。

[1] 桂长清，柳瑞华．密封铅酸蓄电池内阻分析．电池，2000(1)：19-21．

[2] SATIO S，FUKAYA K．Development and field experience of monitoring system for valve regulated lead-acid batteries in stationary applications.Journal of Power Sources，2006(158)：1166-1172．

[3] 曾庆勇．微弱信号检测．第二版．浙江大学出版社，2004 ：53-74．

[4] Analog Devices．AD8436 datasheet．2011．

[5] 鲁世斌，陈军宁，柯导明．基于OrCAD/PSpice10．5的电子电路仿真．电脑知识与技术(学术交流)，2006(3)：108-110．

作者简介：李杨锋(1989—)，硕士研究生，研究方向为智能仪器仪表研究和开发。E-mail：lyf877@126.com

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Measuring Method about Microhm Internal Resistance of Lead-acid Battery

LI Yang-feng，GE Jun-feng，YE Lin，CHEN Chao-hui

(School of Automation，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan，430074)

A practical microhm internal resistance of lead-acid battery measuring system was designed as a result of the deficiencies in this field. The system was connected by four-wire method and the AC signal of 1kHz was injected into the lead-acid battery, then the weak signals generated at both ends of the battery was amplified, filtered and transformed to RMS. The system effectively suppressed noise and disturbance, and simplified design, which achieved the measurement of microhm internal resistance of lead-acid battery. The experiments show that the system can be effectively used in the measurement of microhm internal resistance of lead-acid battery, and the measurement results are stable and reliable.

microhm；battery internal resistance；AC injection；RMS conversion

王美林(1986—)，硕士研究生，研究方向：动态测试与智能仪器。E-mail:598846794 @qq.com 李新娥(1971—)，教授，博士，研究方向：测试计量技术及仪器。E-mail:xine.li@souhu.com

2013-11-12 收修改稿日期：2014-11-10

TH89

A

1002-1841(2015)01-0101-03