交流测量法的便携式电池内阻测试仪

基于交流测量法的便携式电池内阻测试仪的研制

2008年07月23日作者：李革臣李金录古艳磊来源：《中国电源博览》第90期编辑：李远芳

摘要：电池的内阻是评价电池性能的一个重要的参考性指标。本文分析和比较了电池内阻两种检测方法的原理和特点，采用交流注入法测量电池内阻，并阐述了其测量原理。使用超低功耗微处理器MSP430，设计了一种实用的便携式内阻测试仪，详细分析了低功耗系统的软硬件设计。测试结果表明，该仪器的功耗达到了实用性，精度较好地满足了电池的内阻测试要求。

关键词：MSP430单片机；便携式；内阻测试；低功耗

Abstract: The battery internal resistance is an important reference parameter to evaluate the health of battery. Two kinds of detect theories about the internal resistance of the battery are analyzed and the features of these two kinds of detect methods are compared. The method of AC exchange injection is used to measure the resistance of battery and the principle of measurement is explained. MSP430F449 ultra-low-power microprocessor is used to design the practical portable resistance testing equipment, and the low-power system design of hardware and software is analyzed. The results show that the instrument is appropriate for testing the internal impedance of Ni-MH and Li-ion battery.

Key words: MSP430; portable; resistance testing; low-power

电池的内阻是电池的重要参数，它不仅反映电池当前的荷电状态(SOC)，而且反映电池的劣化程度(SOH)。目前电池的内阻检测是采用电化学交流阻抗法，其叠加的交流信号频率范围为1kHz。传统的电池内阻测试一般都是用交流电供电，设备笨重不易携带，无法满足一些特殊场合的应用。本文设计了一种基于超低功耗MSP430单片机的低功耗的便携式内阻测试仪，满足了工程实际应用的需要。

1 设计原理的选择

测量电池的内阻，应用的最广泛的两种方法是直流放电法和交流注入法。

直流放电法是由电池组产生一个瞬间负载电流，然后测出电极柱上电压的瞬间负载电流，然后测出电池在接通了负载后几秒钟内电池端电压和流过电池电流发生的变化。通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可以推导出电池的直流内阻。

交流注入法是用一个交流源注入几十毫安的电流到电池内部，然后测出电池极柱上的响应，通过欧姆定律计算得到电池阻抗[1]。

从上面两种方法的介绍可以知道，直流放电法需要在瞬间让电池放出几十安培的电流，因此需要较大的负载，瞬间发热十分可观，不易设计成便携式仪表；而交流注入法无需放电负载，电流小，容易做到体积小、省电、便携。交流注入法的主要缺点是在注入电流较小的情况下，响应会十分微弱，容易被噪声干扰。但应用放大器和有源滤波器完全可以准确测得电池两端的响应。经过综合考虑，本文选择用交流注入法来实现电池内阻测试。

2 测量原理

图1.硬件结构框图

电池内阻测试仪的结构如图1所示，当施加给电池的激励源信号为正弦交流信号i(t)时，设

其中：为幅值, 为角频率，为初相角。

电池电压的响应信号为：

其中：U为响应振幅，ω为角频率，φu为初相角，N(t)为噪声信号。

参考信号为电流经限流电阻分压所得，其值为：

两者的相关函数为：

由于噪声信号和参考信号互不相关，则，则有

则电池的内阻为：

在实际应用中,相关函数运算由锁相放大器实现。测量时,通过使用标准电阻替代电池（激励源电流值，频率保持不变）进行同样的测试，可以求出待定系数：

所以电池的内阻为：

其中：为已知阻值的标准电阻。

都可通过AD转换器得到。综上所述，电池的内阻是可测量的。

3 硬件结构设计：

由图1可知激励源提供注入电池的交变微弱电流信号，交流差分电路起到隔离直流分量作用，并把电池的响应信号适当放大。锁相放大电路是系统的核心之一，它的主要作用是从噪声干扰中提取有用的微弱信号，即电池的响应信号。MSP430单片机负责采样、数据处理、电源管理及液晶显示值输出。MSP430单片机，拥有60K Flash、采样速度为200K的12bit模数转换器和48个I/O口，完全满足了系统设计高精度和低功耗的要求[2-4]。

通过上述硬件结构实现了精确的内阻测量和系统的低功耗设计。

图2. 激励源原理图

图3. AD630芯片原理图

图4 主程序流程图

3.1激励源模块

激励源在实际应用中为一个方波信号，由一个高精度、低功耗的可控基准源REF192和一个电压跟随器组成，电流值的大小为I=Vout/R，电路中REF192为高精度、低功耗、低温漂的基准源[5]，通过控制REF192的引脚的电平高低，使交流信号为方波信号，激励源原理图如图2所示。

3.2 锁相放大模块

在实际的电路中，我们使用了AD公司的AD630实现锁相放大功能。原理图如图3所示。

响应信号为电池注入交变电流后的响应信号，接入AD630的RINA引脚。参考信号为激励源通过电阻的分压形成的电压信号，此信号与交流电流信号源的同频同相，将此信号接入AD630的SELB脚，通过AD630的处理，我们可以在AD630的VOUT引脚得到输出信号。

4 软件设计