基于AD630實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量

摘要：針對(duì)目前蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量存在的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套實(shí)用的蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用四引線連接法，將一定頻率的交流信號(hào)注入電池，再將電池兩端產(chǎn)生的微弱信號(hào)通過(guò)前置放大濾波，送入AD630進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)，有效地抑制了噪聲和干擾，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了蓄電池內(nèi)阻的在線測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效地應(yīng)用于蓄電池內(nèi)阻的在線測(cè)量，且測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：蓄電池內(nèi)阻；交流注入；AD630；相關(guān)檢測(cè)

0 引言
蓄電池內(nèi)阻是體現(xiàn)電池性能的重要參數(shù)之一，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，蓄電池容量和健康狀態(tài)與內(nèi)阻有著密切的關(guān)系，因此通過(guò)內(nèi)阻的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的在線監(jiān)測(cè)是目前公認(rèn)的蓄電池維護(hù)的最佳方案之一。蓄電池的內(nèi)阻一般都很小，只有幾十毫歐甚至幾毫歐，用直流放電法測(cè)量?jī)?nèi)阻速度慢，且不能實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，用交流注入法測(cè)量的信號(hào)很微弱，被充電器以及環(huán)境中的噪聲所淹沒(méi)，因此如何有效地抑制噪聲也就成了蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)。運(yùn)用鎖相放大器可以實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測(cè)量，但是，鎖相放大器價(jià)格昂貴，使用復(fù)雜，用來(lái)測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，一般很難掌握。本文利用AD630實(shí)現(xiàn)了鎖相放大，設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一套電池內(nèi)阻在線測(cè)量系統(tǒng)，并在國(guó)家級(jí)物理實(shí)驗(yàn)
教學(xué)示范中心建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持下，完成了該課題，投入到近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。通過(guò)運(yùn)行，充分說(shuō)明該系統(tǒng)測(cè)量精度高、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了電池內(nèi)阻的在線測(cè)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

1 測(cè)量原理
實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)阻在線測(cè)量的基本原理如圖1所示。當(dāng)信號(hào)源給電池注入一個(gè)交流電流信號(hào)時(shí)，測(cè)量出在電池兩端產(chǎn)生的交流電壓信號(hào)和輸入電流，就可計(jì)算出電池的內(nèi)阻：

式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號(hào)的有效值；Irms為輸入電池中交流電流信號(hào)的有效值。
采用交流法測(cè)量電池內(nèi)阻，不需要對(duì)電池進(jìn)行放電，從理論上講電池在任何狀態(tài)下都能對(duì)其實(shí)施測(cè)量。在實(shí)際測(cè)量中，由于電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級(jí)，注入一定的電流后，在電池兩端產(chǎn)生的電壓信號(hào)非常微弱，往往被噪聲淹沒(méi)，放大后再測(cè)量，用交流電壓表很難區(qū)分出來(lái)有用的信號(hào)，需要用相關(guān)檢測(cè)的原理，才能測(cè)量出電池兩端的交流電壓信號(hào)。
運(yùn)用相關(guān)器檢測(cè)微弱信號(hào)的原理如圖1中相關(guān)檢測(cè)部分所示，它由開(kāi)關(guān)式乘法器和積分器組成，蓄電池兩端檢測(cè)到的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大濾波后輸入到乘法器信號(hào)輸入端，注入蓄電池的正弦波信號(hào)通過(guò)電路變換形成方波信號(hào)后，輸入到乘法器參考信號(hào)端。若電池兩端的有用信號(hào)為Vs(t)，混入的噪聲為n1(t)，則輸入端的混合信號(hào)為f1(t)=Vs(t)+n1(t)；參考端的有用信號(hào)為Vr(t-τ)；當(dāng)混入的噪聲為n2(t-τ)，則參考端的混合信號(hào)為f2(t-τ)=Vr(t-τ)+n2(t-τ)。

根據(jù)相關(guān)檢測(cè)的原理，通過(guò)乘法器相乘運(yùn)算，信號(hào)和噪聲、噪聲和噪聲之間是互相獨(dú)立的，它們的相關(guān)函數(shù)為零，只有信號(hào)和信號(hào)相關(guān)，且可從噪聲中檢出。具體可表示為：

當(dāng)蓄電池兩端檢測(cè)到的正弦信號(hào)為Vs(t)，方波參考信號(hào)為Vr(t-τ)：

因?yàn)殡姵貎啥说男盘?hào)頻率和參考信號(hào)基波頻率相同，即ωr=ωs，積分器的輸出為：

式中：K只與積分器的傳輸系數(shù)有關(guān)；ψ為檢測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)相位差。
如果調(diào)整ψ=0，則輸出直流信號(hào)達(dá)到最大值，充分說(shuō)明，通過(guò)乘法器和積分器以后，抑制了噪聲。在輸入信號(hào)和電路傳輸系數(shù)一定的情況下，輸出信號(hào)的大小只與電池的內(nèi)阻成比例，只要測(cè)出蓄電池兩端交流電壓值和通過(guò)蓄電池的交流電流值，就能計(jì)算出蓄電池的內(nèi)阻，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。