蓄電池內(nèi)阻測量的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

何永學，滿慶豐，鄭昆

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

蓄電池內(nèi)阻測量的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計

何永學，滿慶豐，鄭昆

（北京航空航天大學機械工程及自動化學院，北京 100191）

蓄電池內(nèi)阻測量是電池管理系統(tǒng)的一個重要功能，電池內(nèi)阻值是衡量電池性能的一個重要指標。利用交流注入法實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻的在線測量，利用鎖相放大器AD630處理小信號電路，提高了測量精度，測量誤差小于10%；通過RS485實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，便于集成于其他系統(tǒng)，滿足用戶多方面的需求；并設(shè)計了電源回路，測量系統(tǒng)的電源可由被測量電池提供，也可由外部電源提供。

蓄電池內(nèi)阻；交流注入法；STM32；AD630；RS485；電源回路

前 言

當前全球能源危機加劇、環(huán)境問題日益突出，造成上述問題的主要原因之一就是數(shù)量巨大的汽車消耗了大量的化石能源，并排放大量的廢氣。節(jié)能減排日漸成為汽車發(fā)展的主要課題。

電動汽車采用電力驅(qū)動，屬于環(huán)保清潔型產(chǎn)品，因而受到世界各國的重視，進而加快其發(fā)展，大容量蓄電池管理系統(tǒng)的研究日益成為一個熱點［1］。蓄電池內(nèi)阻值是估算電池SoC（State of Charge，荷電狀態(tài)）等重要參數(shù)的依據(jù)，也是衡量電池健康、老化的一個重要指標，因此，蓄電池內(nèi)阻測量是蓄電池管理系統(tǒng)一個必要的功能，對保證蓄電池系統(tǒng)安全運行有著重要的作用。

為了實現(xiàn)電池管理系統(tǒng)在線測量內(nèi)阻值，本文分析常用測量方法，考慮到電池的運行狀態(tài)和電池內(nèi)阻的阻值大小，選擇比較成熟的交流注入法測量電池內(nèi)阻。設(shè)計了一套基于鎖相放大器AD630及STM32單片機的簡單實用的測量系統(tǒng)，通過RS485總線實現(xiàn)與監(jiān)測系統(tǒng)之間的通信。實驗表明，測量誤差控制在10%以內(nèi)，在測量低阻值蓄電池工程應(yīng)用中，能滿足項目要求。根據(jù)項目要求，測量系統(tǒng)電源需要由被測量電池提供，為此本文設(shè)計了電源回路。

1 測量原理

由于大容量動力蓄電池的內(nèi)阻一般小于50mΩ，因此，普通測量方法難以保證精度要求。工程上比較常用的兩種測量方法為直流放電法和交流注入法。

1.1 直流放電法

直流放電法也稱為脈沖放電法，該方法首先測量電池的開路電壓，然后進行大電流放電，一般放電倍率約為0.8，放電時間為2s左右，此時測量電池端電壓和流過負載的電流，通過歐姆定律即可求出此時的電池內(nèi)阻。斷電瞬間測量電壓恢復響應(yīng)時間可以測得此時的極化內(nèi)阻和極化電容［1］。理論上測量精度較高，由于大電流放電，因而不適合在線測量；另外，直流放電法受電壓、電流傳感器精度的影響，因此需要精度高、價格貴的傳感器。

電池管理系統(tǒng)集成了電壓檢測和電流檢測裝置，可粗略估算內(nèi)阻值。但如要獲得較高的測量精度，需要進行脫機大電流放電測量，對電池有一定的損害；放電時間限制導致檢測時間長，因此限制了該方法在蓄電池檢測系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用。

1.2 交流注入法

交流注入法即將低頻交流的恒流小信號注入到電池，然后測量電池兩端的響應(yīng)電壓，利用鎖相放大器進行信號處理，進而可求得電池的內(nèi)阻值。整個電路系統(tǒng)屬于小信號處理電路，容易引入干擾，為提高測量精度，需采用四端子測量方法［2］。

信號頻率一般選擇1kHz，主要原因是鎖相放大器在此頻率下性能表現(xiàn)較佳，另外，與噪聲信號頻率相差較大，容易提取低頻信號，濾波誤差小。選擇較小的信號幅值，以便忽略測量小信號對電池狀態(tài)的影響，實現(xiàn)在線測量。蓄電池若在大電流放電狀態(tài)下，則測量值為歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻之和。交流注入法能測量大部分蓄電池，應(yīng)用廣泛。

綜合考慮項目要求，本文采用交流注入法測量電池內(nèi)阻。

1.3 測量原理

測量原理框圖如圖1所示，測量系統(tǒng)的電路主要由信號發(fā)生電路產(chǎn)生所需頻率的電壓信號，通過V/I變換電路實現(xiàn)恒流；注入采樣電阻和蓄電池，放大采樣信號和測量信號；然后兩路信號輸入到鎖相放大器AD630，對信號進行檢波處理；再通過低通濾波器實現(xiàn)濾波，信號變?yōu)橹绷鳎瑫r濾除高頻噪聲信號，使信號平滑；最后通過STM32 的A/D轉(zhuǎn)換電路和控制電路，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的處理和傳輸，采用抗干擾能力較強的RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 蓄電池內(nèi)阻測量原理圖

設(shè)參考電阻上的電壓信號為：

電池兩端的電壓信號為：

其中：θ為蓄電池內(nèi)部極化電容產(chǎn)生的相位差。參考信號和測量信號通過鎖相放大器后，噪聲信號與測量信號獨立不相關(guān)，噪聲被濾除，則處理后信號為：

其中：G為差分放大器增益。然后信號通過低通濾波器，2倍頻信號被衰減濾除，只剩下直流信號：

其中：K為濾波電路增益。

電池內(nèi)阻的計算公式為：

其中：I為交流恒流源最大值，測量系統(tǒng)取值為50mA。

把式（4）代入式（5），即可得到電池內(nèi)阻為

其中：K、A、I、U、G均為已知的數(shù)值，通過式（6）可求出此時電池內(nèi)阻值。

1.4 電源回路

依據(jù)項目要求，測量系統(tǒng)的電源由被測電池提供，為阻礙測量的交流小信號進入直流供電回路，在電路中增加LC濾波器，濾波器截止頻率盡量低，使交流阻抗足夠大，分流盡量小。為防止DC-DC模塊工作不穩(wěn)定，選擇大容量鋁電解電容，等效串聯(lián)電阻也要稍大。

2 測量電路設(shè)計

為提高測量精度，信號放大器需采用共模抑制比較高的儀器放大器。鎖相放大器是本測量系統(tǒng)的核心部分，主要由相敏檢測單元和低通濾波器構(gòu)成，為提高測量精度，相敏檢測單元需要高精度運算處理芯片并且具有較高的開關(guān)速度和靈敏度。

2.1 交流信號發(fā)生器

前面分析可知，交流信號頻率設(shè)定在1kHz。信號發(fā)生器選擇性能較為優(yōu)良的ICL8038，頻率調(diào)節(jié)范圍為0.001Hz～300kHz，頻率可調(diào)節(jié)范圍寬，輸出的正弦波失真度小于1%，而且外圍電路較為簡單，性能上能滿足測量系統(tǒng)的要求［3］。實現(xiàn)電路原理如圖2所示。

通過調(diào)節(jié)Rw2和Rw1可以實現(xiàn)頻率的調(diào)定，最終調(diào)定頻率在1kHz。調(diào)節(jié)引腳1和引腳12使正弦波失真度減小到0.5%，也可小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓信號幅值。振蕩電容C選擇為3 300pF。

2.2 V/l變換電路

圖2 信號發(fā)生電路

為了實現(xiàn)信號穩(wěn)定性，在信號發(fā)生器信號輸出之后通過一個信號跟隨器，提高信號的輸出穩(wěn)定性，減小信號失真度。V/I電路采用比較常見的運算放大器拓撲實現(xiàn)［4］，功率放大器選用OPA544T，輸出電流能力滿足系統(tǒng)50mA的要求。使用時需在電源處并聯(lián)去耦電容，使供電回路穩(wěn)定。兩個跟隨器采用高精度、低溫漂、低偏移運放OP07。為了消除電池直流電壓對本級電路的影響，測量中需要通過大電容實現(xiàn)交流耦合，隔離直流信號，但信號頻率較低，為保證信號不失真，應(yīng)選擇合適的耦合電容C參數(shù)。

V/I變換電路如圖3所示，由于運放引入負反饋，因此工作在線性區(qū)，其中R1=R2=R3=R4。

圖3 V/l變換電路

根據(jù)“虛短虛斷”原則可知：

將式（8）代入式（9）可得：

調(diào)節(jié)電阻Ro就可以使電流恒定在50mA。提高增益，便于鎖相器處理。芯片采用精密儀器放大器INA111，該器件為高精度、低溫漂、低偏置電流場效應(yīng)運算放大器，可調(diào)高增益達1000倍以上，共模抑制比最小為106dB，是小信號處理性能較為優(yōu)秀的儀器放大器。使用中注意電源需接上去耦電容，使信號輸出更穩(wěn)定。實現(xiàn)電路如圖4所示，放大倍數(shù)為：

由圖4可知，本電路是一個高通濾波器，為了抑制共模信號，電路中C1=C2，R1=R2，采用高通濾波電路主要是為了隔離蓄電池直流電壓對電路的影響。

圖4 信號放大電路

2.4 鎖相放大器電路

本部分電路為測量系統(tǒng)核心部分，采用高精度、高靈敏度的模擬器件AD630［2］。這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性；具有高靈敏度的比較器，切換速度較高，可使開關(guān)失真降至最低。通道A和B之間隔離度超過100 dB。AD630主要用于鎖相放大器、相敏檢測電路、同步檢測、平衡解調(diào)和調(diào)制等電路，其最佳工作頻率為1kHz。放大電路如圖5所示。

由AD630的原理可知，參考信號經(jīng)過比較器后轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的方波信號，展開為傅里葉級數(shù)：

把式（12）代入式（3），最后得到直流信號為：

同理，最后得到內(nèi)阻值：

圖5 鎖相放大電路

2.3 信號放大電路

對采樣電阻和電池的交流電壓信號分別進行放大，

濾波電路采用二階有源濾波器，截止頻率設(shè)計盡量低，使2倍頻及高頻干擾信號基本衰減到0。電路采用壓控電壓源濾波器，需注意電壓放大倍數(shù)不能大于3，否則容易電路自激振蕩，出現(xiàn)不穩(wěn)定。

2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

STM32單片機集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，具有12位精度。為了獲得較高精度、高穩(wěn)定性轉(zhuǎn)換結(jié)果，參考電壓由外部高精度基準電壓芯片MA6701提供。本部分電路需要注意在信號進入ADC轉(zhuǎn)換通道之前，需進行過壓保護處理，主要原因是測量端開路會造成運算放大器飽和，導致輸出電壓高達10V（供電電源選擇12V），容易擊穿芯片，造成電路的永久損害。本設(shè)計采用了兩個快恢復肖特基二極管串聯(lián)，鉗制輸入信號，防止燒壞STM32。實現(xiàn)電路如圖6所示。

圖6 ADC變換電路

其中，（R1+R2）、C構(gòu)成一階濾波器，同時電容C起到一定的電壓緩沖作用，增強電路的安全性，時間常數(shù)選擇需適中，過大則影響測量響應(yīng)時間。

3 實驗結(jié)果討論

3.1 數(shù)據(jù)處理

在實際測量中，為了消除導線電阻引入誤差，采用兩個精密電阻代替電池［2］，分別測得ADC電壓值為UR1、UR2，則可以通過比值消除其他參數(shù)對測量結(jié)果的影響。

其中，Rw為導線電阻，R1、R2為替代電阻，RB為電池電阻，UB為測量電池ADC電壓，聯(lián)立式（15）、（16）可知：

實驗測試發(fā)現(xiàn)，當替代電阻與電池電阻值接近時，誤差較小，本系統(tǒng)采用10mΩ和20mΩ的精密電阻，誤差均為1%。

3.2 實驗數(shù)據(jù)

測量電池為某品牌12V/12AH鉛酸蓄電池，設(shè)真值為臺灣群菱工業(yè)BT-6100內(nèi)阻測量儀的測量值。分別測量了3節(jié)蓄電池，所得結(jié)果如表1所列。

表1 蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果

測量誤差主要受ADC轉(zhuǎn)換精度、導線寄生參數(shù)、運算放大器的漂移、電源穩(wěn)定性等影響。改進方法主要有：采用高精度獨立ADC轉(zhuǎn)換芯片；接線盡量短；電源完整性設(shè)計也需注意；電阻應(yīng)選擇溫漂低、穩(wěn)定性優(yōu)良的儀器用電阻；但是也需顧及成本要求。

結(jié) 語

本系統(tǒng)采用交流注入法測量蓄電池內(nèi)阻，測量系統(tǒng)的電源由被測電池提供，測量誤差在10%以內(nèi)，測量精度較高，而且能在線測量，適用于大規(guī)模電池在線監(jiān)測，測量電路簡單實用，具有通用性。測量數(shù)據(jù)通過RS485接口輸出，方便用戶集成在其他系統(tǒng)里，便于自動化測試、分析，實現(xiàn)對電池性能進行診斷、估算電池的SoC等功能。

［1］時瑋，姜久春，李索宇，等.磷酸鐵蓄電池SOC估算方法研究［J］.電子測量與儀器學報，24（8）：769-774.

［2］雷娟，蔣新華，解晶瑩.蓄離子電池組的內(nèi)阻在線檢測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電池，2007（4）：130-132.

［3］韓華勝.大容量蓄電池化成檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2012：25-26.

［4］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.3版.北京：高等教育出版社，2001.

何永學（碩士研究生），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、電池管理系統(tǒng)；滿慶豐（教授），主要研究方向為機電控制與檢測技術(shù)、工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)；鄭昆（碩士研究生），主要研究方向為工業(yè)測控網(wǎng)絡(luò)、嵌入式應(yīng)用。

Battery Management System for lnternal Resistance Measurement

He Yongxue，Man Qingfeng，Zheng Kun
（School of Mechanical Engineering and Automation，Beihang University，Beijing 100191，China）

The measurement of the internal resistance is an important function of the battery management system.The internal resistance is an important index to evaluate the property of the battery.The AC-injection method is applied to realize the on-line measurement of the battery.The lock-in amplifier AD630is used in the circuit to process the small signal，so the measurement accuracy is improved and the measurement error is within 10%.RS485is applied to realize the data transmission and exchange，which is applicable in other systems and is able to satisfy various demands of the users.Meantime，the power circuit is designed，the power of the measurement system can be supplied by the battery to be measured，or supplied by the external battery.

the internal resistance；AC-injection method；STM32；AD630；RS485；power circuit

TP24

A

??楊迪娜

2015-02-03）