電池內(nèi)阻測(cè)試儀

BDC-60/BDC-61通用型是本公司重點(diǎn)推出的針對(duì)電池行業(yè)精確電池內(nèi)阻電壓測(cè)試的高速測(cè)試設(shè)備。
60內(nèi)阻最小分辨率0.001mΩ，電壓最大量程60V，測(cè)試速度20mS。結(jié)合更經(jīng)濟(jì)的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，廣泛用于實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)線和自動(dòng)化設(shè)備配套。

電池內(nèi)阻測(cè)試儀特 性 (FEATURES) 
電阻測(cè)試精度0.3%，電壓測(cè)試精度0.05%（僅60）；測(cè)試速度最快50次/秒
內(nèi)置比較器功能，30組分選條件保存
豐富的接口配置，標(biāo)配RS232和HANDLER接口
自動(dòng)化測(cè)量，準(zhǔn)確快速的判斷，適用于流水線上的產(chǎn)品分選和出廠檢驗(yàn)
應(yīng) 用 (APPLICATION) 
高精度鋰電池內(nèi)阻，電壓檢測(cè)
配套自動(dòng)測(cè)試設(shè)備完成電池內(nèi)阻+電壓的自動(dòng)檢測(cè)
電池的劣化狀態(tài)和壽命評(píng)估
超級(jí)電容的ESR測(cè)試
規(guī)格(SPECIFICATION) 
型 號(hào) 60 61
顯 示 4色 VFD 顯示
比較器 30組記錄，檔計(jì)數(shù)
觸發(fā)器 內(nèi)部觸發(fā)，手動(dòng)觸發(fā)，外部觸發(fā)，總線觸發(fā)
接口 RS-232、RS-485接口 、Handler接口（CHT3561選配）
電源 電壓:190VAC ～ 256VAC; 頻率: 47Hz ～ 63Hz；額定功率：15VA
其他 測(cè)試引線損壞檢測(cè)功能, 鍵盤鎖定和數(shù)據(jù)保存功能，REl 功能
尺寸 385mm(L)x249mm(W)x102mm(D); 重量: 3.5kg
附件 、電源線
蓄電池內(nèi)阻測(cè)量的電池管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
測(cè)量原理，由于大容量動(dòng)力蓄電池的內(nèi)阻一般小于50mΩ，因此普通測(cè)量方法難以保證精度要求。
工程上比較常用的兩種測(cè)量方法直流放電法和交流注入法。直流放電法也稱為脈沖放電法，該方法首先測(cè)量電池的開路電壓。
然后進(jìn)行大電流放電，一般放電倍率約為0.8，放電時(shí)間為2s左右，此時(shí)測(cè)量電池端電壓和流過(guò)負(fù)載的電流。
通過(guò)歐姆定律即可求出此時(shí)的極化內(nèi)阻和極化電容，理論上測(cè)量精度較高，由于大電流放電，因而不適合在線測(cè)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(jià)格貴的傳感器。電池管理系統(tǒng)集成了電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)裝置。
可粗略估算內(nèi)阻值，但如要獲得較高的測(cè)量精度，需要進(jìn)行脫機(jī)大電流放電測(cè)量，對(duì)電池有一定的損害；
放電時(shí)間限制導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，因此限制了該方法在蓄電池檢測(cè)系統(tǒng)中的普遍應(yīng)用。交流注入法即將低頻交流的恒流小信號(hào)注入到電池。
然后測(cè)量電池兩端的響應(yīng)電壓，利用鎖相放大器進(jìn)行信號(hào)處理，進(jìn)而可求得電池的內(nèi)阻值，整個(gè)電路系統(tǒng)屬于小信號(hào)處理電路。
容易引入干擾，為提高測(cè)量精度，需采用四端子測(cè)量方法。信號(hào)頻率一般選擇1KHz，主要原因是鎖相放大器此頻率下性能表現(xiàn)較佳。
另外與噪聲信號(hào)頻率相差較大，容易提取低頻信號(hào)，濾波誤差小。選擇較小的信號(hào)幅值，以便忽略測(cè)量小信號(hào)對(duì)電池狀態(tài)的影響。
實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，蓄電池若在大電流狀態(tài)下，則測(cè)量值為歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻之和，交流注入法能測(cè)量大部分蓄電池，應(yīng)用廣泛。
綜合考慮項(xiàng)目要求，本文采用交流注入法測(cè)量電池內(nèi)阻。測(cè)量原理框圖如圖1所示。測(cè)量系統(tǒng)的電路主要由信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生所需頻率的電壓信號(hào)。
通過(guò)V/I變換電路實(shí)現(xiàn)恒流；注入采樣電阻和蓄電池，放大采樣信號(hào)和測(cè)量信號(hào)；然后兩路信號(hào)輸入到鎖相放大器AD630。
對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢波處理，再通過(guò)低通濾波器實(shí)現(xiàn)濾波，信號(hào)變?yōu)橹绷鳎瑫r(shí)濾除高頻噪聲信號(hào)，使信號(hào)平滑；
最后通過(guò)STM32的A/D轉(zhuǎn)換電路和控制電路，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理和傳輸，采用抗干擾能力較強(qiáng)的RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

設(shè)參考電阻上的電壓信號(hào)為……（1），電池兩端的電壓信號(hào)為：……（2）。
其中：為蓄電池內(nèi)部極化電容產(chǎn)生的相位差。參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)通過(guò)鎖相放大器后，噪聲信號(hào)與測(cè)量信號(hào)獨(dú)立不相關(guān)。
噪聲被濾除，則處理后信號(hào)為……（3）其中：G為差分放大器增益。
然后信號(hào)通過(guò)低通濾波器，2倍頻信號(hào)被衰減濾除，只剩下直流信號(hào)：……（4），其中：K為濾波電路增益。
電池內(nèi)阻的計(jì)算公式為：……（5），其中：I為交流恒流源最大值，測(cè)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……（6），其中：K、A、I、U、G均為已知的數(shù)值。
通過(guò)式（6）可求出此時(shí)電池內(nèi)阻值，電源回路，依據(jù)項(xiàng)目要求，測(cè)量系統(tǒng)的電源由被測(cè)電池提供。
為阻礙測(cè)量的交流小信號(hào)進(jìn)入直流供電回路，在電路中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。
測(cè)量電路設(shè)計(jì)為提高測(cè)量精度，信號(hào)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(cè)量系統(tǒng)的核心部分。
主要由相敏檢測(cè)單元和低通濾波器構(gòu)成，為提高測(cè)量精度，相敏檢測(cè)單元需要高精度運(yùn)算處理芯片并且具有較高的開關(guān)速度和靈敏度。
交流信號(hào)發(fā)生器，前面分析可知，交流信號(hào)頻率設(shè)定在1KHz，信號(hào)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(jiǎn)單。
性能上能滿足測(cè)量系統(tǒng)的要求，實(shí)現(xiàn)電路原理如圖2所示，通過(guò)調(diào)節(jié)Rw2和Rw1可以實(shí)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使用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(hào)幅值。振蕩電容C選擇為3300pF。
V/I變換電路，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定性，在信號(hào)發(fā)生器信號(hào)輸出之后通過(guò)一個(gè)信號(hào)跟隨器，提高信號(hào)的輸出穩(wěn)定性。
減小信號(hào)失真度，V/I電路采用比較常見(jiàn)的運(yùn)算放大器拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)，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(shí)需在電源處并聯(lián)去耦電容，使供電回路穩(wěn)定，兩個(gè)跟隨器采用高精度，低溫漂、低偏移運(yùn)放OP07。
為了消除電池直流電壓對(duì)本級(jí)電路的影響，測(cè)量中需要通過(guò)大電容實(shí)現(xiàn)交流耦合，隔離直流信號(hào)，但信號(hào)頻率較低。
為保證信號(hào)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(yùn)放引入負(fù)反饋。
因此工作在線性區(qū)，其中R1=R2=R3=R4。根據(jù)“虛短虛斷"原則可知：……（7）；……（8）。
……（9），將式（8）代入式（9）可得：……（10）；……（11）。
調(diào)節(jié)電阻Ro就可以使電流恒定在50mA，信號(hào)放大電路，對(duì)采樣電阻和電池的交流電壓信號(hào)分別進(jìn)行放大。
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(chǎng)效應(yīng)運(yùn)算放大器。
可調(diào)高增益達(dá)1000倍以上，共模抑制比最小為106dB，是小信號(hào)處理性能較為優(yōu)秀的儀器放大器。
使用中注意電源需按上去耦電容，使信號(hào)輸出更穩(wěn)定。實(shí)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(gè)高通濾波器，為了抑制共模信號(hào)，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(duì)電路的影響。
鎖相放大器電路，本部分電路為測(cè)量系統(tǒng)核心部分，采用高精度、高靈敏度的模擬器件AD630。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，通道A和B之間隔離度超過(guò)100dB，AD630主要用于鎖相放大器，相敏檢測(cè)電路。
同步檢測(cè)、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(hào)經(jīng)過(guò)比較器后轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的方波信號(hào)，展開為傅里葉級(jí)數(shù)：……（12）。
把式（12）代入式（3），最后得到直流信號(hào)為：……（13）同理，最后得到內(nèi)阻值：……（14）。
濾波電路采用二階有源濾波器，截止頻率設(shè)計(jì)盡量低，使2倍頻及高頻干擾信號(hào)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。如果C1=C2，R1=R2=R3=R4，可知濾波器的通帶截止頻率為。
由此可以一份合同出所需的電阻和電容，A/D轉(zhuǎn)換電路，STM32單片機(jī)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(zhǔn)電壓芯片MA6701提供。本部分電路需要注意在信號(hào)進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換通道之前。
需進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)處理，主要原因是測(cè)量端開路會(huì)造成運(yùn)算放大器飽和，導(dǎo)致輸出電壓高達(dá)10V，供電電源選擇12V。
容易擊穿芯片，造成電路的損害。本設(shè)計(jì)采用了兩個(gè)快恢復(fù)肖特基二極管串聯(lián)，鉗制輸入信號(hào)。
防止燒壞STM32，實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。其中（R1+R2）、C構(gòu)成一階濾波器，同時(shí)電容C起到一定的電壓緩沖作用。
增強(qiáng)電路的安全性，時(shí)間常數(shù)選擇需適中，過(guò)大則影響測(cè)量響應(yīng)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論數(shù)據(jù)處理，在實(shí)際測(cè)量中，為了消除導(dǎo)線電阻引入誤差。
采用兩個(gè)精密電阻代替電池，分別測(cè)得ADC電壓值為UR1、UR2，則可以通過(guò)比值消除其他參數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響。
實(shí)驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)替代電阻與電池電阻值接近時(shí)，誤差較小，本系統(tǒng)采用10mΩ和20mΩ的精密電阻。
誤差均為1%，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量電池為某品牌12V/12AH鉛酸蓄電池，61內(nèi)阻測(cè)量?jī)x的測(cè)量值。分別測(cè)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(cè)量結(jié)果
蓄電池編號(hào) 61/mΩ 測(cè)量系統(tǒng)/mΩ 誤差
第1節(jié) 34.221 34.77 1.6%
第2節(jié) 34.656 35.04 1.1%
第3節(jié) 34.445 34.89 1.2%
測(cè)量誤差主要受ADC轉(zhuǎn)換精度、導(dǎo)線寄生參數(shù)、運(yùn)算放大器的漂移、電源穩(wěn)定性等影響。改進(jìn)方法主要有：采用高精度獨(dú)立ADC轉(zhuǎn)換芯片。
接線盡量短，電源完整性設(shè)計(jì)也需要注意；電阻應(yīng)選擇溫漂低、穩(wěn)定性優(yōu)良的儀器電阻；但是也需顧及成本要求。