相敏檢波器PSD在電池內阻測試中的運用

丁常坤 鄭彥樸 楊炯

摘 ?要：電池內阻的測試，主要是利用一組交流信號通過待測電池，提取出電池兩端的交流信號幅值，利用電子開關鑒相器對測試信號進行矢量分離，最終得出所測的電阻值。很多場合對于電池內阻的測試有較高的精度要求。不同的電池，其內部的阻值也不一樣，有幾mΩ至十幾kΩ的跨度，所以在這個范圍內，均要實現電池內阻的有效測試。利用PSD技術高信噪比的測試特點，能很好地實現微弱信號的檢測，因而能很好地實現電池內阻的測試。

關鍵詞：電池內阻;交流測試;鑒相器;矢量分離

中圖分類號：TM934.1 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0031-03

Abstract：The test of battery internal resistance is mainly to use a group of ac signals through the battery to be tested，take out the AC signal amplitude at both ends of the battery，use electronic switch phase detector to conduct vector separation of the test signal，and finally get the measured resistance value. In many cases，high accuracy is required for the measurement of battery internal resistance. Different battery，its internal resistance is also different，spans ranging from several mΩ to more than ten kΩ，so in this range，to achieve the effective test battery internal resistance. Using PSD technology，its high signal-to-noise ratio test characteristics，can well achieve weak signal detection，so it can well achieve the battery resistance test.

Keywords：battery internal resistance;communication test;phase discriminator;vector separation

0 ?引 ?言

隨著社會的發展和生活的進步，越來越多的移動式、便攜式電子設備應運而生，這些電子設備的均使用電池供電，因此，評估電池的質量顯得格外重要。經過一系列的分析與驗證，發現電池的內阻阻值能很好地體現電池的容量和穩定性，所以對電池的檢測，需要能準確地測試電池的內阻。

電池內阻的測試，剛開始時，采用的是直流放電法，具體操作就是給電池增加不同的負載，檢測電池輸出至負載的電流和電壓，根據不同負載的電流與兩端的電壓，進而計算出電池的內阻阻值。這種方式測試得到的內阻值比較可靠，但存在一個很嚴重的問題：在測試過程中，電池的能量會被消耗，多測試幾次會導致電池損耗較大。

隨著時代的發展，發現可以給電池注入一個1kHz的微弱電流信號，檢測電池兩端1kHz的電壓信號，進而計算出電池的內阻值。這種方式的關鍵在于檢測1kHz的微弱電壓信號值，因為電池本身具有電壓值，因此在交流電壓信號的檢測方面會出現一些困難，此時，PSD技術的運用很好地解決了這個問題，運用PSD技術能準確地分辨出1kHz的電壓信號，從而精確地測量出電池的內阻。這種方式可靠、穩定，現在幾乎均采用這種方式。

1 ?相敏檢波器（PSD）電池內阻測試原理

1.1 ?電池內阻模型

電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻兩部分，如圖1所示。

歐姆內阻由電極材料、電解液等的接觸電阻組成。極化電阻是指電池的電極進行電化學反應、電解液中離子遷移時，在維持電池正負極的過程中所引起的內阻。電池的工作電流很小時，引起的電池極化現象基本可以忽略，電池內阻等效于歐姆內阻。工作電流大時，會引起電池的電化學極化和濃差極化，這兩項引起的內阻值，基本相當于歐姆內阻，甚至可能會大數倍[1]。

1.2 ?交流注入法

交流注入法通過對電池注入一個恒定的交流電流信號Is（目前一般使用1kHz頻率、50mA小電流），測量出電池兩端的電壓響應信號Vo以及兩者的相位差θ，通過阻抗計算公式Z=Vo/Is、R=Z*cosθ，最后計算出電池內阻阻值。該方法不需對電池進行放電，可以實現安全在線檢測電池內阻，不會對電池的性能造成影響。實際中由于該方法需要測量交流電流信號Is、電壓響應信號Vo以及電壓和電流之間的相位差θ，并且信號微弱、干擾因素多，因此通常使用下面的方案提高測量精度[2]。

在電池內阻的測試中，將微弱電流源注入至電池中，將電池看作一個阻抗元件，取電池兩端的微弱電壓信號，因為注入的電流信號很小，所以不會影響電池的穩定性。PSD技術主要是用在電壓信號的取樣電路上。所謂PSD技術如下文所述。

1.3 ?運放式開關相敏檢波器

現有技術主要的測試結果，最能體現穩定性和精確性直接的反應是測試結果分辨率。

研究表明，采用鎖相放大技術可以有效地抑制干擾和噪聲，使電池內阻測量變得非常精確，且測量速度快、成本低，由于無需放電，施加的交流電很小，可以實現完全的在線監測管理，避免了系統運行安全性的影響。經過測量驗證，采用電子開關式相敏檢波器測試方法，可以將測試結果分辨率提高到0.1μΩ[2]。

電子開關式相敏檢波器測試原理如圖2所示，利用反相和同相放大器分別對被測信號進行放大，放大倍數均為1，從而得到f（s）和-f（s）兩路信號。根據fR移相后的電平高低控制電子開關的接通位置，實現與方波相乘的過程[3]。

在實際實現電子開關式相敏檢波器測試方法的過程中，發現對測試造成最大影響fR與fS的相位差，理論上測標準電阻時，fR與fS的相位差為零。要想達到這種效果，關鍵是fS的產生，傳統上為了保持fS與fR頻率的一致性，通常fR是由fS整型成方波產生，但這種方法有個不可避免的缺點：fS經過調理電路之后，無法保證fR與fS的相位差為0°，而且批量生產時，產品的一致性受使用模擬器件的影響很大，最主要的是無法測量電池內阻的阻抗值，無法測得電池內阻抗對信號的相移，這樣也會對測量的實際值造成偏差。所以對于fR與fS的相位需要著重考慮與處理，這關系到整個測試結果的精度。

2 ?設計方案

電池內阻的測試原理框圖如圖3所示，主要分為三個部分：測試信號源、信號采集電路、過載檢測電路。

測試信號源輸出電路：主要是利用DAC輸出1kHz的正弦波信號，通過一個功放增加電路的輸出驅動能力，以滿足后續電測內阻的測試要求，最大需要輸出100mArms的電流。

信號采集電路模塊：主要是檢測測試源輸出的測試信號，通過隔直電容將直流信號濾除，經過一個放大電路模塊，有兩個放大倍數選擇：5倍和50倍，之后經過1kHz為中心頻率，100Hz通帶的帶通濾波器，濾除高頻和低頻噪聲，提取出1kHz的測試信號，再經過PSD檢波器，將PSD輸出的信號輸入模數轉換器（ADC）中，進行采樣處理數據計算，最終結合測試電流的大小，獲得電池直流電阻的測試信息。

過載檢測電路模塊：包括源輸出端電壓檢測，判斷源輸出的信號幅值是否超過額定值;另一路過載檢測的電路，是在隔直電容輸出之后和經過放大電路模塊之后，檢測獲取的測試信號幅值是否超過最大值，如果超過規定值，則需要切換電流采樣電阻，減小采樣電流;最后一路檢測是斷路檢測，即檢測測試線是否斷開，這路由2kHz的微電流源輸出的斷路檢測信號，在經過電池之后，提取電池兩端的信號，經過放大電路模塊和以2kHz為中心頻率、通帶為100Hz的帶通濾波器（BPF）之后，經過PSD檢測，最終輸出的信號經過低通濾波器（LPF），轉換成直流信號，再通過比較器轉換成數字信號，輸入到MCU中，進行狀態監測。

3 ?結 ?論

整體的電池內阻測試儀的模擬電路如上文所述。電池內阻可以表征一個電池的存儲電量，電池電量處于不同的狀態，它的內阻值也處于不一樣的狀態。

電池內阻的測試，主要涉及的領域是微弱信號檢測，因此，主要采取的方案是利用相關檢測的方式，先對微弱信號進行調制，經過放大處理之后，再對信號進行解調。通過這種方式提高整體電路的信噪比。電路設計關鍵之處在于Sigma-Delta ADC的濾波效果，是否能提取出所需的微弱信號，還有整體信號的測量電路的相移，需要精確校正，以滿足修正作用。本文所采用的是電子開關式相敏檢波器，這種方式，沒有模擬乘法器產生的非線性問題，動態范圍大、抗過載能力強。此外，開關式相敏檢波器電路簡單，運行速度快，有利于降低成本和提高系統的工作速度，這些優點，使開關式相敏檢波器得到了廣泛的運用。

參考文獻：

[1] 徐曉東，劉洪文，楊權.鋰離子電池內阻測試方法研究 [J].中國測試，2010，36（6）：24-26.

[2] 宋改青，董有爾.鎖相放大器在電池內阻測量中的應用 [J].物理測試，2006（2）：57-59+62.

[3] 高晉占.微弱信號檢測 [M].北京：清華大學出版社，2011：182-185.

作者簡介：丁常坤（1992.12-），男，漢族，江西贛州人，硬件工程師，本科，研究方向：儀器測量研究。