車載鋰電池組內阻測試模塊的設計與實現

2014-05-11 11:20:04趙新寬

通信電源技術 2014年3期

趙新寬，董威

(珠海城市職業技術學院，廣東珠海519090)

1 電池內阻測試方法

電池的內阻是電池最為重要的參數之一，它是表征電池壽命以及電池運行狀態的重要參數，是衡量電子和離子在電極內傳輸難易程度的主要標志［1］。內阻不僅反映電池當前的荷電狀態，而且還反映電池的劣化程度，其變化反映電池的性能和壽命［1，2］。所以，通過檢測蓄電池內阻，能夠對電池性能及容量進行評估，進而了解EV的動力性能［4］。

電池內阻是指電流通過電池時所受到的阻力，包括歐姆內阻與極化內阻。歐姆內阻由電極材料、電解液、隔膜的電阻及各部分零件的接觸電阻組成;極化電阻是指正極與負極在進行電化學反應時極化所引起的內阻，是電化學極化和濃差極化所引起的電阻之和。由于鋰電池具有高度的非線性特性，為了準確測試內阻，需要采用準確、適合工程化應用的模型，文獻［1］給出了簡化的鋰電池阻抗模型。如圖1所示，模型中用理想電壓源Uoc描述電池的開路電壓，體現為電池內部的直流偏置;內阻R0為電池歐姆內阻，電容Cp與電阻Rp并聯描述電池的極化環節，蓄電池的輸出電壓為U。

目前測試電池內阻的方法有交流電導法、鎖相放大法、EIS(多頻率電化學阻抗分析)法、直流放電法和直流脈沖法等［5，6］。直流法精度很高，誤差可以控制在0.1%以內，但該方法需要大電流，能耗大、成組使用設備復雜，不適合使用在車載電池組的內阻測試當中;交流電導法未考慮移相角，歐姆內阻測試不準確;EIS法適用于進行阻抗譜分析，取得的大量數據沒有太大工程使用意義。由于蓄電池內阻一般為毫歐級，與測試線路的電阻在同一級別，所以濾除噪聲和提取有用信號非常重要。鎖相放大法電池注入的電流信號頻率已知，通過鎖相放大電路可以很好地解決這個問題。由于只需要測量阻抗實部，即電阻部分，電池通過的交流信號甚至不必要為正弦信號，而代之以脈沖電流信號，通過低通濾波提取基波或某一特定頻率的電壓電流信號，從而測試內阻。文獻［3］給出了脈沖控制法測試電阻的思路，通過光耦進行脈沖控制，電池自身提供測試電流，不需額外的激勵電源。

圖1 鋰電池阻抗模型

2 模塊總體設計及工作原理

本模塊結合交流注入法和脈沖控制法的思路，設計出PWM恒流源，得到周期方波信號，濾波后給電池組激勵。模塊設計原理如下:恒流源經過PWM后得到周期方波電流為:

展開成傅里葉級數形式

計算系數得

故該方波信號在區間(0，T)內，可認為注入到電池的激勵源信號為:

則由上述周期方波電流對電池進行激勵，其響應經過帶通濾波處理，保留頻率ω1部分，實際效果與i(t)=Issinωt對電池進行激勵的響應效果基本一致。由此可以判斷周期方波電流激勵信號可以代替i(t)=Issinωt。考慮到電池的容抗影響，做出如下分析:

注入到電池的激勵源信號:

式中，I為幅值;ω1為角頻率;Φi為初相角。

電池電壓響應信號為:

式中，U為幅值;ω1為角頻率;Φu為初相角。

則電池的復阻抗為:

r為電池的內阻，也可寫為如下形式:

如此一來，通過輸入電流與電壓相應的有效值測量和相位比較，就可以測出電池內阻。本模塊的設計結構如圖2所示。

模塊對本單元內的12個電池單體進行掃描式內阻測試。為減小測量導線造成的誤差，將信號注入回路與信號測量回路的連接線分開(分別由兩組開關控制)。PWM調制電源同時給待測電池及參考電阻提供交流電流，電池與參考電阻兩端的交流電壓信號經過差分放大和帶通濾波后送入鎖相放大器，然后將鎖相放大后得到的有效電壓信號送入單片機。模塊內置了2個基準電阻(Rf1、Rf2)，能夠結合軟件處理進行自動內阻校準。校準的基本思想是在保證電路的線性要求下，得到理想的測試曲線為U-Z平面上的一條通過原點的、斜率恒定的直線。通過兩點確定一條直線，求出斜率和偏差并保存。在測量過程中只需要測出電壓U，就能根據校準曲線直接計算電池內阻。設計時，我們只需要在檢測、調理通道保證測試的電壓在動態范圍內即可，而不需要考慮通道的誤差，這就是內阻的校準原理。在電路設計中根據實際結果再選擇校準的方式。本設計要求內阻測試儀的內阻測試精度達到0.2%，因此要求這2個基準電阻的阻值允許偏差小于0.2%，溫度系數小于80 ppm/℃。為了盡量減少焊接、引腳等因素引入新的誤差，基準電阻采用四引線的低阻值線繞精密電阻。

圖2 內阻測試模塊系統示意圖

3 硬件方案設計

3.1 選通電路的設計

采用Lattice公司的iM4A5 CPLD，使用VHDL語言設計。由于CPLD的I/O口豐富，集成度高，抗干擾性能強，這樣既避免了過多的單體電池的選通線間干擾，又節約了單片機I/O口，有利于系統其它功能的擴展和升級［7］。虛擬設計一片 74HC139和 4片74HC138，其中P1.0、P1.1接74HC139 的 A、B 端，它的Y0、Y1、Y2、Y3 分別接三片 74HC138 的 G2A，主要用于分別選通 74HC138芯片，其余引腳使能。P1.2、P1.3、P1.4分別接 74HC138 的 A、B、C 端用于選通每一節電池。74HC138剛好選通 B1、B2……B11、B12(即12節電池)接入電池電壓測量端，R1、R2……R11、R12(即12節電池通道)接入內阻激勵交流信號。另外一片74HC138的輸出Rf1、Rf2分別接兩個高精度基準電阻 R1和 R2，BU、BI選通電池組電壓、電流，Un、Up 選通絕緣監測電壓通道(多余的通道備用)。P1.5接CPLD的CLK0，用于給適當的時鐘選通電池或高精度基準電阻。測試內阻時，單片機輸出的PWM信號每0.5 ms調制一次恒流源，給電池組一次激勵，此時，單片機給CPLD時鐘，CPLD收到第一個時鐘后，其內部設計的電池選通程序開始把高精度純電阻R1切入閉合回路，CPLD收到第二個時鐘后把高精度純電阻R2切入閉合回路，收到第三個時鐘后把第一節電池切入閉合回路。依次類推選通12節電池，該部分原理圖見圖3所示。

圖3 iM4A5 CPLD選通電路原理圖

3.2 PWM調制恒流源設計

激勵電流源是電路設計的難點，常規設計是由低頻交流恒流源產生i(t)=Issinωt信號，再通過V/I轉換器轉換為交流恒流來激勵電池組。但是從硬件的設計角度看，很難設計出交流恒流激勵源。本系統采用周期方波激勵后，進行帶通濾波，可達到同樣效果，系統穩定并且降低了設計難度。根據鋰離子電池的特點設計的恒流源電路應為1 kHz、50 mA，該方法設計頻率穩定、易實現且設計電路的成本降低。本模塊采用ICL高精度波形發生器和耦合驅動功率放大器為核心元件，所設計的PWM恒流源電路如圖4所示。

3.3 交流弱信號隔直與鎖相放大電路

電池輸出電壓的表達式為Uo=U+Ui，其中Uo為電池的輸出電壓，它包括一個電池的開路直流電壓U和激勵信號的輸出交流電壓Ui。然后，電壓信號通過一對電解電容組成的無極性電容，輸出的電壓信號就只剩下激勵信號的輸出交流電壓Ui，達到了隔離直流電壓的目的。同時，由于得到的Ui信號太微弱，為了防止電容的容抗造成分壓，所選擇的電解電容越大越好。但是，輸出回路的電阻R3為放大器的輸入電阻，一般非常大，使輸出的電流i非常的小，基本上可以忽略影響，所以電容的容值取到適當值就可以了，在這里選擇的電容為100 μF/50 V的電解電容。設計的微弱電壓信號提取電路如圖5所示。

圖4 PWM恒流源電路

圖5 微弱電壓提取電路

圖6 差分放大電路

圖7 帶通濾波電路

交流電壓經過圖6的差分放大電路放大后，再進行帶通濾波(圖7)，該帶通濾波電路的參數選擇按0.95 kHz～1.05 kHz頻率范圍確定，然后進入鎖相放大電路。鎖相放大器不僅有選頻放大功能，而且還有捕捉相位的功能，即“鎖定”被測信號的相位與頻率。因此噪聲信號中只有與被測信號同頻同相的部分才能混進來，噪聲混入的機率大大減少;而且鎖相放大器的等效噪聲帶的寬度正比于選頻放大寬度，使噪聲受到鎖相放大器強有力地抑制。利用鎖相放大器可以分離提取比噪聲信號小101～106倍的極微弱光電信號。

利用ATMEL公司的調制解調芯片AD630進行鎖相放大，它的原理在文獻［8］、［9］中有詳細的描述。AD630的輸出包括兩大部分，一部分是和頻分量，另外一部分是差頻分量，通過低通濾波濾除倍頻分量，輸出只含直流分量的部分，根據公式(8)可以推算出電池的歐姆內阻，而不是以阻抗模值代替內阻。具體計算公式如下: