基于AD630实现蓄电池内阻在线测量

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

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。

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；Irms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。
    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)，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)+n2(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。

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。

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 kΩ／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。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。

    采用AD630作为乘法器实现的相关检测电路原理图如图5所示。其中，AMP A和AMP B分别配置为正相放大器和反相放大器。输入信号为一路待检测信号和一路参考信号。待检测信号通过1脚送入，参考信号通过9脚输入到比较放大器。待检测信号在器件内部根据载波信号的正负进行翻转，实现了开关乘法功能。

3 实验结果与分析
3．1 前置放大与滤波结果分析
    设计中前置放大要求为100倍，根据AD620中RG计算公式RG=49．4 kΩ／(G-1)计算出RG为499 Ω。在此对电容误差为±5％，电阻误差为±1％的放大电路使用Multisim软件进行仿真，如图6所示，通道A为输入信号，通道B为经过AD620放大后的输出信号，若输入信号有效值为13．621 mV，则输出为1．366 48 V，可实现精确稳定的放大。
3．2 带通滤波结果分析
    带通滤波是通过一级低通滤波器和一级高通滤波器实现的。低通滤波器是采用多重反馈型的LPF，如图3中U2级所示，可解得该滤波器传递函数为：
    
    由于当时通带截止，所以由可解得截止频率f=0．37／(2πRC)。按照设计要求选取R=20 kΩ，C=1 nF，仿真得到其频率特性如图7所示。

由图7可看出，当增益为-3 dB时所对应的频率为3 kHz，同理设计的高通滤波器频率特性如图8所示。

3．3 AD630结果分析
    按照AD630设计要求连接好电路，实现乘法效果如图9所示，通道3为输入信号，通道2为参考信号，通道1为输出信号，信号端和参考端输入1 kHz的正弦信号，输出则为两信号相乘的结果。经过AD630实现乘法后，再将相乘后的信号送入积分器中，可将噪声从信号中滤去，变为直流信号。在信号中混入30 dB的噪声，通过以AD630为核心的相关器检波如图10所示，使通道3为原始信号，通道4，1分别是混入噪声和通过AD630后的信号波形；通道2为积分后的直流信号，其值等于原始信号通过相关检测后的值。该设计很好地抑制了噪声，在内阻测量系统中可很好地将所需信号检测出来。

3．4 系统测试结果分析
    按照文中的思路方案设计制作了一套电池内阻在线测量系统，并与使用stanford SR830所测得的结果进行了对比。测试电池为使用一年左右的环宇牌12 V，15 A·h铅酸蓄电池，测试结果如表1所示。由表1的测量数据可以看出，该系统与stanford SR830的测量结果基本吻合。

    图11是一只6 V，4．5 A·h的蓄电池放电过程中在线测量的内阻曲线图，电池充满电后对其进行放电，放电电流选择为650 mA。放电过程中内阻值逐渐增大，在放电的初期内阻变化率很小，到后期开始有明显的变化。在蓄电池剩余容量为50％以上时，内阻值变化很小，当容量降至40％以下时，则内阻值有明显变化，尤其在20％以下时，随着容量的减少，内阻值急剧增大，此时应注意对蓄电池及时进行充电，避免对蓄电池造成损害。

    图12为蓄电池充电过程中的内阻曲线图。将蓄电池放电至截止电压后，选取200 mA电流对其进行充电，在充电过程中对内阻进行在线测量。由测试结果可看出，充电过程与放电过程的变化正好相反，刚开始内阻先急剧减小，然后缓慢变化，最后几乎不变。同样内阻的变化说明了容量的变化。

4 结语
    本文采用交流注入相关检测的方法实现了蓄电池内阻的在线测量，能够在不影响蓄电池性能的情况下完好无损、方便快捷、准确地测量出内阻，并投入实验教学中。同时，蓄电池内阻的在线测量，对实现蓄电池运行状态的监测有着十分重要的意义。