一種新型內(nèi)阻測試儀的研制

摘要：本文介紹了以ADuC843芯片作為控制器系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的新型電池內(nèi)阻測試儀的設(shè)計原理及優(yōu)點，為鋰電池內(nèi)阻的有效測定提供了便利途徑。

關(guān)鍵詞：電池內(nèi)阻；ADuC843；自動校準(zhǔn)；軟件溫度補償

隨著便攜式電子產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，電池的需求量迅猛增加。而電池的性能和使用壽命與電池內(nèi)阻有密切關(guān)系，因此對電池內(nèi)阻的測量是電池生產(chǎn)廠家的重要工序，市場對內(nèi)阻測試儀有較大的需求。電池內(nèi)阻是指電流通過電池內(nèi)部時所受的阻力，包括歐姆電阻和電極在電化學(xué)反應(yīng)時所表現(xiàn)的極化電阻，歐姆電阻是一個靜態(tài)的、表征電池屬性的參數(shù)，而極化電阻是一個動態(tài)的，在電池的充放電過程中產(chǎn)生的。測量電池的內(nèi)阻是為判斷電池的狀態(tài)提供依據(jù)，因此我們所測量的電池內(nèi)阻是指電池的歐姆電阻。但目前學(xué)術(shù)界還沒有一個統(tǒng)一的模型來確切地描述電池的內(nèi)阻，因此，筆者通過測量電池的阻抗值來表征其內(nèi)阻的大小。

一、ADuC843的功能特點

ADuC843是ADI公司設(shè)計的一款采用8052內(nèi)核集成了8通道AD轉(zhuǎn)換器的微控制器，其主要功能特點包括:（1）8通道可選擇12Bit高速AD轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達(dá)420kSPS，具有AD輸出到RAM的DMA控制器；（2）62K的FLASH程序存儲器，4KByte的FLASH數(shù)據(jù)存儲器以及2304Byte的數(shù)據(jù)RAM；（3）改進(jìn)的8052內(nèi)核，高速度單周期執(zhí)行芯片，執(zhí)行速度可達(dá)20MIPS，3端口還有大電流驅(qū)動能力；（4）3V，5V電源可選，外圍接口齊全，有串口、UART和SPI/IIC；（5）共有P0、P1、P2、P3四組并行接口，可實現(xiàn)功能的擴(kuò)展；（6）32kHz外部晶振，片內(nèi)具有可編程鎖相環(huán)，頻率可達(dá)16.78MHz；12個中斷源，2個優(yōu)先級；（7）有2個PWM輸出；（8）片內(nèi)具有溫度監(jiān)控功能模塊，該功能模塊能準(zhǔn)確測量溫度的變化情況。該款芯片適用于精密儀器和智能傳感器、光網(wǎng)絡(luò)中的激光功率控制、DAS和通信系統(tǒng)等應(yīng)用場所。

二、儀器設(shè)計

電池內(nèi)阻與普通電阻元件不同，它有源元件，必須用特殊的方法測量。總的來說，內(nèi)阻測量方法分為直流法和交流法。由于電池在測量過程中，長時間的大電流充放電會產(chǎn)生極化電阻，直流法測得的內(nèi)阻既包含歐姆電阻也包含極化電阻，因此大容量的蓄電池可使用直流法測量內(nèi)阻。由于無法建立電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確等效電路，交流法只能測量出電池的交流阻抗，但交流注入法具有體積小、成本低等優(yōu)點，且不用大電流充放電，對電池?zé)o損害，可進(jìn)行在線測量和頻繁測量等，因此對小容量的鋰離子電池，一般用電池的交流阻抗代替其內(nèi)阻。鑒于交流法的種種優(yōu)點，筆者采用交流注入法來測量電池阻抗。為避免接觸電阻和導(dǎo)線電阻對電池內(nèi)阻的測量產(chǎn)生影響，筆者采用了四線制測量，把電流注入回路和信號測量回路分開，利用電池等效于一個有源電阻的特點，給被測量電阻通以恒定交流電流，采用1kHz的交流電流注入電池，然后對被測電池進(jìn)行電壓采樣、整流濾波等處理，從而精確測得電池的交流阻抗值。具體原理設(shè)計如圖1所示。

信號發(fā)生器輸出的1kHz正弦信號通過驅(qū)動耦合電路在電池上產(chǎn)生約50mA的交流電流，由于電池存在阻抗，該電流會在電池兩端產(chǎn)生一個交流電壓，通過該電壓值的大小來確定內(nèi)阻值的大小。下面對原理圖各個組成部分進(jìn)行分析。

1.內(nèi)阻信號處理部分是內(nèi)阻測試儀的關(guān)鍵部分，主要完成以下功能：（1）不失真地拾取電池兩極間的電壓響應(yīng)信號，并對信號進(jìn)行必要的放大、濾波等處理，這部分電路在軟件控制下完成增益控制的功能，使?jié)M量程信號對應(yīng)于AD轉(zhuǎn)換器的最大輸入信號；（2）電池內(nèi)阻的電壓響應(yīng)信號是一個交流信號，通過精密半波整流、濾波轉(zhuǎn)換成直流信號輸入到A/D和單片機部分進(jìn)行處理；（3）電池的直流電壓輸入到A/D和單片機部分，測量電池電壓；（4）這部分電路的線性是軟件校準(zhǔn)基礎(chǔ)，在軟件校準(zhǔn)時假定被測內(nèi)阻和電壓信號是線性關(guān)系，再利用這種線性關(guān)系通過電壓值來計算內(nèi)阻值。

2.電池/基準(zhǔn)電阻部分在軟件的控制下，根據(jù)需要在電池和2個基準(zhǔn)電阻之間切換，測量時將電池接入到電路，校準(zhǔn)時將基準(zhǔn)電阻接入到電路，測量2個基準(zhǔn)電阻R1、R2對應(yīng)的響應(yīng)電壓信號V1、V2，通過（V1，R1）（V2，R2）兩點確定一條直線，計算出斜率參數(shù)K和位移參數(shù)b。測量時則通過測得的電壓值、斜率參數(shù)K和位移參數(shù)b來計算Rz，校準(zhǔn)和計算過程由軟件完成。

3.信號發(fā)生和耦合部分，首先信號發(fā)生器產(chǎn)生1kHz的正弦信號，通過該信號驅(qū)動功率放大器在電池上產(chǎn)生同頻率、大小恒定的交流電流。對阻值一定的被測體，該電流值的大小直接決定了電壓響應(yīng)信號的大小，因此這部分電路的穩(wěn)定性對測量結(jié)果有明顯的影響。但耦合部分電路采用功率放大器實現(xiàn)，工作時發(fā)熱量較大，信號發(fā)生電路容易受溫度的影響而導(dǎo)致信號幅度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致測量的內(nèi)阻值發(fā)生變化；溫度變化還可能導(dǎo)致內(nèi)阻信號處理部分電路參數(shù)發(fā)生變化，使內(nèi)阻測量產(chǎn)生誤差。由于溫度對電路的影響比較復(fù)雜，為每部份電路設(shè)計溫度補償將會提高成本，延長開發(fā)周期。筆者采用軟件進(jìn)行溫度補償，設(shè)校準(zhǔn)時溫度為TC，測量時的溫度為TM，那么補償量△R=k·(TM-TC)=k·△T，而ADuC843可以非常準(zhǔn)確地測量溫差，適合用做軟件溫度補償。

4.A/D和單片機控制部分是內(nèi)阻測試儀的控制核心，完成控制和A/D轉(zhuǎn)功能。A/D是ADuC843內(nèi)置的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，根據(jù)儀器的精度要求，該AD可以保證精度要求。單片機采用分時復(fù)用的方式，共用模數(shù)轉(zhuǎn)換器對輸入的內(nèi)阻信號或電池電壓信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對該內(nèi)阻大小進(jìn)行比例校正即得到電池的阻抗值，單片機軟件通過LED驅(qū)動芯片將電壓和阻抗值在LED上顯示出來，同時比較所測得的電池內(nèi)阻和電壓是否在指定的范圍內(nèi)，如果超出范圍則報警提示用戶。

5.顯示和鍵盤部分完成用戶輸入輸出功能。鍵盤功能包括：內(nèi)阻電壓的上下限設(shè)定、啟動自動校準(zhǔn)、啟動/退出內(nèi)阻測量等功能。顯示內(nèi)容包括內(nèi)阻電壓值、內(nèi)阻電壓超范圍報警指示等內(nèi)容。

三、結(jié)果和討論

由于設(shè)計該儀器時，已經(jīng)預(yù)測到了溫度對測量結(jié)果的影響，因此采用了軟件自動校準(zhǔn)和溫度補償方法。為了檢測自動校準(zhǔn)的效果，需要排除溫度的影響，在下面的每一次測量前，都進(jìn)行了自動校準(zhǔn)，測量結(jié)果如表1所示，被測對象為精密線繞電阻，精度為0.1%。

溫度補償效果實驗數(shù)據(jù)是在一次校準(zhǔn)后不再做校準(zhǔn)，每隔一定的間隔測得的，如表2所示。被測對象是一個150mΩ的精密線繞電阻，精度為0.1%。

從表一中的數(shù)據(jù)來看，自動校準(zhǔn)后測量的精度非常高，完全可以達(dá)到儀表的技術(shù)指標(biāo)要求，但由于溫度對測量結(jié)果的影響，隨著溫度升高，內(nèi)阻值逐漸降低。通過自動校準(zhǔn)和軟件溫度補償，儀器達(dá)到了較高的精度要求。

以單片機為基礎(chǔ)的新型內(nèi)阻測試儀不但能較好地克服了傳統(tǒng)儀器測量結(jié)果受溫度影響大、精度不高等缺點，而且可長期獲得正確的補償，能夠自動完成數(shù)據(jù)采集、存貯和計算。在目前電池的阻抗沒有一個明確的數(shù)學(xué)模型情況下，以單片機為基礎(chǔ)的新型內(nèi)阻測試儀，具有費用低、測量速度快、操作方便等特點，在鋰電池內(nèi)阻測定方面具有較大的發(fā)展?jié)摿Α１疚奶岢龅膬?nèi)置基準(zhǔn)實現(xiàn)自動校準(zhǔn)、軟件溫度補償?shù)仍O(shè)計，對智能儀表、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和開發(fā)都具有借鑒意義。

（作者單位：廣東省電子職業(yè)技術(shù)學(xué)校）

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責(zé)任編輯何麗華