相敏检波器PSD在电池内阻测试中的运用

丁常坤 郑彦朴 杨炯

摘  要：电池内阻的测试，主要是利用一组交流信号通过待测电池，提取出电池两端的交流信号幅值，利用电子开关鉴相器对测试信号进行矢量分离，最终得出所测的电阻值。很多场合对于电池内阻的测试有较高的精度要求。不同的电池，其内部的阻值也不一样，有几mΩ至十几kΩ的跨度，所以在这个范围内，均要实现电池内阻的有效测试。利用PSD技术高信噪比的测试特点，能很好地实现微弱信号的检测，因而能很好地实现电池内阻的測试。

关键词：电池内阻;交流测试;鉴相器;矢量分离

中图分类号：TM934.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）16-0031-03

Abstract：The test of battery internal resistance is mainly to use a group of ac signals through the battery to be tested，take out the AC signal amplitude at both ends of the battery，use electronic switch phase detector to conduct vector separation of the test signal，and finally get the measured resistance value. In many cases，high accuracy is required for the measurement of battery internal resistance. Different battery，its internal resistance is also different，spans ranging from several mΩ to more than ten kΩ，so in this range，to achieve the effective test battery internal resistance. Using PSD technology，its high signal-to-noise ratio test characteristics，can well achieve weak signal detection，so it can well achieve the battery resistance test.

Keywords：battery internal resistance;communication test;phase discriminator;vector separation

0  引  言

随着社会的发展和生活的进步，越来越多的移动式、便携式电子设备应运而生，这些电子设备的均使用电池供电，因此，评估电池的质量显得格外重要。经过一系列的分析与验证，发现电池的内阻阻值能很好地体现电池的容量和稳定性，所以对电池的检测，需要能准确地测试电池的内阻。

电池内阻的测试，刚开始时，采用的是直流放电法，具体操作就是给电池增加不同的负载，检测电池输出至负载的电流和电压，根据不同负载的电流与两端的电压，进而计算出电池的内阻阻值。这种方式测试得到的内阻值比较可靠，但存在一个很严重的问题：在测试过程中，电池的能量会被消耗，多测试几次会导致电池损耗较大。

随着时代的发展，发现可以给电池注入一个1kHz的微弱电流信号，检测电池两端1kHz的电压信号，进而计算出电池的内阻值。这种方式的关键在于检测1kHz的微弱电压信号值，因为电池本身具有电压值，因此在交流电压信号的检测方面会出现一些困难，此时，PSD技术的运用很好地解决了这个问题，运用PSD技术能准确地分辨出1kHz的电压信号，从而精确地测量出电池的内阻。这种方式可靠、稳定，现在几乎均采用这种方式。

1  相敏检波器（PSD）电池内阻测试原理

1.1  电池内阻模型

电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻两部分，如图1所示。

欧姆内阻由电极材料、电解液等的接触电阻组成。极化电阻是指电池的电极进行电化学反应、电解液中离子迁移时，在维持电池正负极的过程中所引起的内阻。电池的工作电流很小时，引起的电池极化现象基本可以忽略，电池内阻等效于欧姆内阻。工作电流大时，会引起电池的电化学极化和浓差极化，这两项引起的内阻值，基本相当于欧姆内阻，甚至可能会大数倍[1]。

1.2  交流注入法

交流注入法通过对电池注入一个恒定的交流电流信号Is（目前一般使用1kHz频率、50mA小电流），测量出电池两端的电压响应信号Vo以及两者的相位差θ，通过阻抗计算公式Z=Vo/Is、R=Z*cosθ，最后计算出电池内阻阻值。该方法不需对电池进行放电，可以实现安全在线检测电池内阻，不会对电池的性能造成影响。实际中由于该方法需要测量交流电流信号Is、电压响应信号Vo以及电压和电流之间的相位差θ，并且信号微弱、干扰因素多，因此通常使用下面的方案提高测量精度[2]。

在电池内阻的测试中，将微弱电流源注入至电池中，将电池看作一个阻抗元件，取电池两端的微弱电压信号，因为注入的电流信号很小，所以不会影响电池的稳定性。PSD技术主要是用在电压信号的取样电路上。所谓PSD技术如下文所述。

1.3  运放式开关相敏检波器

现有技术主要的测试结果，最能体现稳定性和精确性直接的反应是测试结果分辨率。

研究表明，采用锁相放大技术可以有效地抑制干扰和噪声，使电池内阻测量变得非常精确，且测量速度快、成本低，由于无需放电，施加的交流电很小，可以实现完全的在线监测管理，避免了系统运行安全性的影响。经过测量验证，采用电子开关式相敏检波器测试方法，可以将测试结果分辨率提高到0.1μΩ[2]。

电子开关式相敏检波器测试原理如图2所示，利用反相和同相放大器分别对被测信号进行放大，放大倍数均为1，从而得到f（s）和-f（s）两路信号。根据fR移相后的电平高低控制电子开关的接通位置，实现与方波相乘的过程[3]。

在实际实现电子开关式相敏检波器測试方法的过程中，发现对测试造成最大影响fR与fS的相位差，理论上测标准电阻时，fR与fS的相位差为零。要想达到这种效果，关键是fS的产生，传统上为了保持fS与fR频率的一致性，通常fR是由fS整型成方波产生，但这种方法有个不可避免的缺点：fS经过调理电路之后，无法保证fR与fS的相位差为0°，而且批量生产时，产品的一致性受使用模拟器件的影响很大，最主要的是无法测量电池内阻的阻抗值，无法测得电池内阻抗对信号的相移，这样也会对测量的实际值造成偏差。所以对于fR与fS的相位需要着重考虑与处理，这关系到整个测试结果的精度。

2  设计方案

电池内阻的测试原理框图如图3所示，主要分为三个部分：测试信号源、信号采集电路、过载检测电路。

测试信号源输出电路：主要是利用DAC输出1kHz的正弦波信号，通过一个功放增加电路的输出驱动能力，以满足后续电测内阻的测试要求，最大需要输出100mArms的电流。

信号采集电路模块：主要是检测测试源输出的测试信号，通过隔直电容将直流信号滤除，经过一个放大电路模块，有两个放大倍数选择：5倍和50倍，之后经过1kHz为中心频率，100Hz通带的带通滤波器，滤除高频和低频噪声，提取出1kHz的测试信号，再经过PSD检波器，将PSD输出的信号输入模数转换器（ADC）中，进行采样处理数据计算，最终结合测试电流的大小，获得电池直流电阻的测试信息。

过载检测电路模块：包括源输出端电压检测，判断源输出的信号幅值是否超过额定值;另一路过载检测的电路，是在隔直电容输出之后和经过放大电路模块之后，检测获取的测试信号幅值是否超过最大值，如果超过规定值，则需要切换电流采样电阻，减小采样电流;最后一路检测是断路检测，即检测测试线是否断开，这路由2kHz的微电流源输出的断路检测信号，在经过电池之后，提取电池两端的信号，经过放大电路模块和以2kHz为中心频率、通带为100Hz的带通滤波器（BPF）之后，经过PSD检测，最终输出的信号经过低通滤波器（LPF），转换成直流信号，再通过比较器转换成数字信号，输入到MCU中，进行状态监测。

3  结  论

整体的电池内阻测试仪的模拟电路如上文所述。电池内阻可以表征一个电池的存储电量，电池电量处于不同的状态，它的内阻值也处于不一样的状态。

电池内阻的测试，主要涉及的领域是微弱信号检测，因此，主要采取的方案是利用相关检测的方式，先对微弱信号进行调制，经过放大处理之后，再对信号进行解调。通过这种方式提高整体电路的信噪比。电路设计关键之处在于Sigma-Delta ADC的滤波效果，是否能提取出所需的微弱信号，还有整体信号的测量电路的相移，需要精确校正，以满足修正作用。本文所采用的是电子开关式相敏检波器，这种方式，没有模拟乘法器产生的非线性问题，动态范围大、抗过载能力强。此外，开关式相敏检波器电路简单，运行速度快，有利于降低成本和提高系统的工作速度，这些优点，使开关式相敏检波器得到了广泛的运用。

参考文献：

[1] 徐晓东，刘洪文，杨权.锂离子电池内阻测试方法研究 [J].中国测试，2010，36（6）：24-26.

[2] 宋改青，董有尔.锁相放大器在电池内阻测量中的应用 [J].物理测试，2006（2）：57-59+62.

[3] 高晋占.微弱信号检测 [M].北京：清华大学出版社，2011：182-185.

作者简介：丁常坤（1992.12-），男，汉族，江西赣州人，硬件工程师，本科，研究方向：仪器测量研究。