时间：2011-03-15 13:10:46 来源：单片机与嵌入式系统 作者：郭 亮，陈宝明，董有尔，乔晓艳
摘要：针对目前蓄电池内阻在线测量存在的不足，设计实现了一套实用的蓄电池内阻在线测量系统。该系统运用四引线连接法，将一定频率的交流信号注入电池，再将电池两端产生的微弱信号通过前置放大滤波，送入AD630进行相关检测，有效地抑制了噪声和干扰，简化了设计，实现了蓄电池内阻的在线测量。实验结果表明，该系统可有效地应用于蓄电池内阻的在线测量，且测量结果稳定可靠。
关键词：蓄电池内阻；交流注入；AD630；相关检测
关键词：蓄电池内阻；交流注入；AD630；相关检测
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，因此通过内阻的变化，实现对蓄电池的在线监测是目前公认的蓄电池维护的最佳方案之一。蓄电池的内阻一般都很小，只有几十毫欧甚至几毫欧，用直流放电法测量内阻速度慢，且不能实现在线测量，用交流注入法测量的信号很微弱，被充电器以及环境
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，因此通过内阻的变化，实现对蓄电池的在线监测是目前公认的蓄电池维护的最佳方案之一。蓄电池的内阻一般都很小，只有几十毫欧甚至几毫欧，用直流放电法测量内阻速度慢，且不能实现在线测量，用交流注入法测量的信号很微弱，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在线测量的关键技术。运用锁相放大器可以实现电池内阻在线测量，但是，锁相放大器价格昂贵，使用复杂，用来测量蓄电池内阻，计算过程比较繁琐，一般很难掌握。本文利用AD630实现了锁相放大，设计、开发了一套电池内阻在线测量系统，并在国家级物理实验
教学示范中心建设经费的支持下，完成了该课题，投入到近代物理实验教学中。通过运行，充分说明该系统测量精度高、速度快、抗干扰能力强，实现了电池内阻的在线测量，达到了设计要求，市场应用前景广阔。
教学示范中心建设经费的支持下，完成了该课题，投入到近代物理实验教学中。通过运行，充分说明该系统测量精度高、速度快、抗干扰能力强，实现了电池内阻的在线测量，达到了设计要求，市场应用前景广阔。
1 测量原理
实现电池内阻在线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，测量出在电池两端产生的交流电压信号和输入电流，就可计算出电池的内阻：
式中：Vrms为电池两端交流电压信号的有效值；Irmsandrew johnston为输入电池中交流电流信号的有效值。
采用交流法测量电池内阻，不需要对电池进行放电，从理论上讲电池在任何状态下都能对其实施测量。在实际测量中，由于电池的内阻在微欧或毫欧级，注入一定的电流后，在电池两端产生的电压信号非常微弱，往往被噪声淹没，放大后再测量，用交流电压表很难区分出来有用的信号，需要用相关检测的原理，才能测量出电池两端的交流电压信号。
快乐的节日 歌词运用相关器检测微弱信号的原理如图1中相关检测部分所示，它由开关式乘法器和积分器组成，蓄电池两端检测到的微弱信号经过前置放大滤波后输入到乘法器信号输入端，注入蓄电池的正弦波信号通过电路变换形成方波信号后，输入到乘法器参考信号端。若电池两端的有用信号为Vs(t)，混入的噪声为n1(t)拔萝卜歌词，则输入端的混合信号为f1(t)=Vs(t)+n1(t)；参考端的有用信号为Vr(t-τ)；当混入的噪声为n2(t-τ)，则参考端的混合信号为f2(t-τ)=Vr(t-τ)+n
实现电池内阻在线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，测量出在电池两端产生的交流电压信号和输入电流，就可计算出电池的内阻：
式中：Vrms为电池两端交流电压信号的有效值；Irmsandrew johnston为输入电池中交流电流信号的有效值。
采用交流法测量电池内阻，不需要对电池进行放电，从理论上讲电池在任何状态下都能对其实施测量。在实际测量中，由于电池的内阻在微欧或毫欧级，注入一定的电流后，在电池两端产生的电压信号非常微弱，往往被噪声淹没，放大后再测量，用交流电压表很难区分出来有用的信号，需要用相关检测的原理，才能测量出电池两端的交流电压信号。
快乐的节日 歌词运用相关器检测微弱信号的原理如图1中相关检测部分所示，它由开关式乘法器和积分器组成，蓄电池两端检测到的微弱信号经过前置放大滤波后输入到乘法器信号输入端，注入蓄电池的正弦波信号通过电路变换形成方波信号后，输入到乘法器参考信号端。若电池两端的有用信号为Vs(t)，混入的噪声为n1(t)拔萝卜歌词，则输入端的混合信号为f1(t)=Vs(t)+n1(t)；参考端的有用信号为Vr(t-τ)；当混入的噪声为n2(t-τ)，则参考端的混合信号为f2(t-τ)=Vr(t-τ)+n
2(t-τ)。
根据相关检测的原理，通过乘法器相乘运算，信号和噪声、噪声和噪声之间是互相独立的，它们的相关函数为零，只有信号和信号相关，且可从噪声中检出。具体可表示为：
当蓄电池两端检测到的正弦信号为Vs(t)，方波参考信号为Vr(t-τ)：
因为电池两端的信号频率和参考信号基波频率相同，即ωr=ωs，积分器的输出为：
式中：K只与积分器的传输系数有关；ψ为检测信号与参考信号相位差。
如果调整ψ=0，则输出直流信号达到最大值，充分说明，通过乘法器和积分器以后，抑制了噪声。在输入信号和电路传输系数一定的情况下，输出信号的大小只与电池的内阻成比例，只要测出蓄电池两端交流电压值和通过蓄电池的交流电流值，就能计算出蓄电池的内阻，实现在线测量
因为电池两端的信号频率和参考信号基波频率相同，即ωr=ωs，积分器的输出为：
式中：K只与积分器的传输系数有关；ψ为检测信号与参考信号相位差。
如果调整ψ=0，则输出直流信号达到最大值，充分说明，通过乘法器和积分器以后，抑制了噪声。在输入信号和电路传输系数一定的情况下，输出信号的大小只与电池的内阻成比例，只要测出蓄电池两端交流电压值和通过蓄电池的交流电流值，就能计算出蓄电池的内阻，实现在线测量
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，由通路选择开关电路、前置放大带通滤波器、AD630乘法器电路、积分器电路、交流恒流信号产生电路、方波转换电路、取样电路、单片机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对电池内阻的影响，因此采用四引线连接法。系统输出的交流恒流信号接到电池两端，再将电池内阻产生的电压信号，连接到输入转换开关电路。上电后，首先由单片机控制调整检测信号和参考信号的相位差φ使之为0。开始测量后，先由模拟开关CD4052选通电流测量通路，该通路在向蓄电池注入交流信号的回路中设置一标准取样电阻，以测定交流信号的电流值；再选通电压测量通路，测定电压值。采集到的信号通过放大滤波等处理后送入单片机中，利用式(1)算出蓄电池的内阻。
依据上述原理所设计的系统原理框图如图2所示，由通路选择开关电路、前置放大带通滤波器、AD630乘法器电路、积分器电路、交流恒流信号产生电路、方波转换电路、取样电路、单片机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对电池内阻的影响，因此采用四引线连接法。系统输出的交流恒流信号接到电池两端，再将电池内阻产生的电压信号，连接到输入转换开关电路。上电后，首先由单片机控制调整检测信号和参考信号的相位差φ使之为0。开始测量后，先由模拟开关CD4052选通电流测量通路，该通路在向蓄电池注入交流信号的回路中设置一标准取样电阻，以测定交流信号的电流值；再选通电压测量通路，测定电压值。采集到的信号通过放大滤波等处理后送入单片机中，利用式(1)算出蓄电池的内阻。
2．1 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相关器中。如图3所示，低噪声前置放大器由仪用放大器AD620和带通滤波器组成。
AD620是一种高性能仪器放大器，性能稳定，增益可调，其放大倍数由1脚和8脚之间的电阻RG决定，G=1+(49．4 k雨樱花Ω／RG)。信号经过其放大后，通过带通滤波器检测出0．4～3 kHz的带通信号，输送到乘法器信号端。直流放大电路采用高精度运放OP27实现程控增益放大，放大器的反馈电阻利用模拟开关CD4052进行选择，通过单片机控制选择放大倍数，使信号在最佳A／D采集电压范围内。
2．2 相关运算电路
在设计中相关器采用AD公司生产的AD630，这是一款高精度的平衡调制器，内部电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻，保证了其工作的精确性和稳定性。它的信号处理应用包括平衡调制和解调、同步检测、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大和方波乘法等。AD630逻辑图如图潘鄂明4所示，其内部可以被认为是集成了两个前置放大器，一个用来选通前置放大器的精密比较器，一个作为多路选择开关以及输出级积分运算放大器。拥有高切换
速度和快速稳定的线性放大器，由于比较器的响应时间快速，可使开关失真降至最低。此外，还有极低的通道间串扰。骂周立波AD630通常用于高精度的信号处理以及动态范围宽的仪器设备。在锁相放大电路中，当其用作同步解调器时，可以恢复在100 dB噪声背景下的微弱信号。AD630最优的工作频率是在1 kHz，故注入蓄电池的信号和参考信号选为1 kHz，同时1 kHz也处于适宜的电池内阻频率响应范围，不过其在零点几兆赫兹时仍然可正常工作。
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