裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測(cè)儀研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言
     裝 甲 車 輛 的 蓄 電 池 擔(dān) 負(fù) 著 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 啟 動(dòng) 電 機(jī) 、 電 氣 儀 表、照明等電氣設(shè)備供電的重要工作，而目前已裝備的裝甲 部隊(duì)尚未配備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)蓄電池性能的儀器設(shè)備。蓄電池 實(shí)時(shí)檢測(cè)儀用于在線測(cè)量蓄電池內(nèi)阻，進(jìn)而評(píng)估蓄電池性能 的優(yōu)劣，為裝備維護(hù)保養(yǎng)提供有效的數(shù)據(jù)支撐。其主要功能 為：
一是測(cè)量單體蓄電池和串聯(lián)電池組的電壓、內(nèi)阻、連接條電阻。
二是故障報(bào)警功能。當(dāng)所檢測(cè)的內(nèi)阻和電壓超出設(shè)置 的上限或低于下限時(shí)，儀器進(jìn)行聲音和文字報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn) 并顯示電池運(yùn)行故障。
三是自動(dòng)估算電池容量功能。
2 系統(tǒng)組成與原理
2.1  系統(tǒng)組成
該裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測(cè)儀的系統(tǒng)組成如圖1所示， 主要由交流差分放大電路、耦合驅(qū)動(dòng)電路、低頻交流信號(hào)發(fā) 生器、鎖相放大及濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)等子系統(tǒng) 組成。
2.2  工作原理
內(nèi)阻測(cè)量是一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程，目前主要有兩種方 法，即直流放電法和交流注入法。交流注入法相對(duì)直流放 電法有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、成本低、對(duì)電池?zé)o損害、可在 線測(cè)量、可進(jìn)行頻繁的測(cè)量等。由于交流注入法具有上述優(yōu)

圖1  裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測(cè)儀組成原理框圖    

圖2  AD630電路原理圖
點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此我們采用交流注入法作
為研制蓄電池實(shí)時(shí)檢測(cè)儀的理論基礎(chǔ)。
交流注入法測(cè)量蓄電池內(nèi)阻的原理框圖如圖1所示。圖 中低頻交流信號(hào)發(fā)生器為一個(gè)頻率為1kHz的交流恒流電流 源，用于給電池注入交流電流信號(hào)I；電阻Rr為取樣電阻， 用于產(chǎn)生同步電壓響應(yīng)信號(hào)V。測(cè)量?jī)?nèi)阻時(shí)首先通過(guò)測(cè)量電 壓V計(jì)算出內(nèi)阻抗Z，如公式（1）所示；然后測(cè)量電壓和電 流之間的相位差θ；最后通過(guò)公式（2）計(jì)算出內(nèi)阻抗中純 阻性部分，即蓄電池內(nèi)阻R。
該方法不需對(duì)蓄電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現(xiàn)安全在線檢
測(cè)電池內(nèi)阻，故不會(huì)對(duì)蓄電池的性能造成影響。但在實(shí)際使 用中，由于饋入信號(hào)的幅值有限，電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐 級(jí)，因此產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級(jí)，信號(hào)容易受到干 擾，尤其是在線測(cè)量時(shí)，受到的影響更大。
為了解決上述問題，

實(shí)時(shí)檢測(cè)儀采用鎖相放大及濾波 電路，將蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào)通過(guò)交流差分電路與 產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算、濾波、放大，形 成直流信號(hào)。直流信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理并計(jì) 算出蓄電池內(nèi)阻。鎖相放大及濾波電路是內(nèi)阻測(cè)量的核心部 分，用于分離電池內(nèi)阻上固有的容性成分，能夠?qū)ξ⑷醯膬?nèi) 阻測(cè)量信號(hào)進(jìn)行鎖相放大及濾波處理，有效地抑制了強(qiáng)電干 擾和環(huán)境噪聲，大大提高了測(cè)量精度。

圖3  裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測(cè)儀

3 軟硬件設(shè)計(jì)
3.1  鎖相放大技術(shù)
研 制 裝 甲 車 輛 蓄 電 池 實(shí) 時(shí) 檢 測(cè) 儀 的 關(guān) 鍵 性 技 術(shù) 為 鎖 相 放 大技 術(shù) 。 該 技 術(shù) 利 用 測(cè)量信號(hào)與干擾噪聲在時(shí)間特性上的不同，通過(guò)相關(guān)計(jì)算抑制 噪聲和干擾，從而抽取并放大微弱信號(hào)。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)通過(guò) 鎖相放大電路完成，電路將待檢測(cè)的信號(hào)中與參考信號(hào)同步 的信號(hào)放大并檢測(cè)出來(lái)。鎖相放大電路可以使實(shí)時(shí)檢測(cè)儀抑制噪聲的性能提高若干個(gè)數(shù)量級(jí)，具有極強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。
在本實(shí)時(shí)檢測(cè)儀設(shè)計(jì)中，采用了ADI公司生產(chǎn)的平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630。其實(shí)現(xiàn)的電路原理如圖2所示。
參考信號(hào)為交流電流信號(hào)源輸出電阻Rr 上的電壓信號(hào)， 此信號(hào)與電池上的注入信號(hào)同頻同相。但由于電池的內(nèi)阻抗 存在容性分量，所以從電池取樣上來(lái)的信號(hào)與注入信號(hào)有 相位差，設(shè)為θ 。并設(shè)電池的內(nèi)阻抗為R z ，純內(nèi)阻為R ，則 有：