基才Cortex―M3的電池內(nèi)阻檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以電池為能源的各類電氣設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)、交通、軍事、通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，電池性能對(duì)電子、電氣設(shè)備的正常運(yùn)行具有極其重要的作用。電池在使用過(guò)程中，其性能和容量會(huì)隨充放電次數(shù)的增加而下降，所以，定期維護(hù)及檢驗(yàn)電池性能，是保證電器設(shè)備可靠工作的重要內(nèi)容。電池內(nèi)阻是檢驗(yàn)電池性能和容量的重要參數(shù)，通過(guò)內(nèi)阻檢測(cè)評(píng)估電池性能和容量參數(shù)，也是科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用的基本原理。電池內(nèi)阻測(cè)量的常用方法一般采用電位差原理。但是，該測(cè)量方法對(duì)于大型設(shè)備的高容量電池存在測(cè)量誤差大、發(fā)熱、易損電池等弊端。本文采用基于Cortex—M3核32位微處理微計(jì)算機(jī)控制和電位差原理的智能內(nèi)阻測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大容量電池的精確、快速、安全測(cè)量和高度智能化的故障診斷功能，具有重要的科學(xué)研究意義及實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：Cortex—M3;電池;內(nèi)阻檢測(cè);電位差

電源是電子、電器設(shè)備的重要組成部分，而電池則是移動(dòng)電子產(chǎn)品中不可或缺的電源部件。電子產(chǎn)品中的電源或電池模塊直接影響電子產(chǎn)品的工作狀況。對(duì)于移動(dòng)電子、電器產(chǎn)品，大到工業(yè)設(shè)備，如電動(dòng)汽車、礦山設(shè)備，中到家用電動(dòng)摩托車，小至手機(jī)、Ipad等手持設(shè)備，無(wú)一不與電池設(shè)備有關(guān)，電池性能對(duì)電子、電器設(shè)備性能具有舉足輕重的作用。電池的性能指標(biāo)包括：電池容量、能比、負(fù)載特性、壽命等多項(xiàng)參數(shù)，而電池性能的評(píng)估，一般是通過(guò)對(duì)電池內(nèi)阻參數(shù)的測(cè)量得到，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻直接影響電池的負(fù)載能力，也是間接評(píng)估電池性能的依據(jù)。

目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量電池內(nèi)阻的常見方法有密度法、開路電壓法、直流放電法和交流注入法等多種測(cè)量方法。上述方法，適用于小容量電池或?qū)嶒?yàn)室測(cè)量，對(duì)于大容量或超大容量電池測(cè)量，存在測(cè)量精度差、發(fā)熱、易損電池等致命問(wèn)題，是工業(yè)應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題，大容量電池性能測(cè)量難以通過(guò)直流放電法精確測(cè)量。

在實(shí)驗(yàn)室精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，常采用電位差原理測(cè)量精密表頭或小容量電池內(nèi)阻。該原理的測(cè)量精度，取決于測(cè)量?jī)x器精度、測(cè)量方法、被測(cè)對(duì)象內(nèi)阻的大小、測(cè)量過(guò)程、與

內(nèi)阻等效串聯(lián)的連線電阻等多種因素。例如：小容量疊層電池，由于內(nèi)阻較大，且對(duì)測(cè)量過(guò)程無(wú)特殊要求，用電位差原理，可得到很高的測(cè)量精度，也不會(huì)對(duì)電源造成不良影響但該原理不能用于大容量電池的內(nèi)阻測(cè)量，原因在于：1)長(zhǎng)時(shí)間(秒級(jí))大電流放電易損電池;2)線路電阻嚴(yán)重影響測(cè)量精度。

根據(jù)上述測(cè)量原理存在的問(wèn)題，綜合開路電壓法和直流放電法原理，設(shè)計(jì)了基于位差原理和CORTEX—M3微處理器控制的電池內(nèi)阻測(cè)試設(shè)備，即分別測(cè)量電池的空載電壓Ue和負(fù)載電壓UL，利用測(cè)量參數(shù)Ue、UL和已知負(fù)載電阻RL，通過(guò)計(jì)算間接測(cè)量電池內(nèi)阻Ri，其優(yōu)點(diǎn)在于：1)勿需大電流放電，避免電池及觸頭發(fā)熱現(xiàn)象;2)瞬間(微秒級(jí))放電和快速測(cè)量，無(wú)損電池;3)線路電阻與測(cè)量結(jié)果無(wú)關(guān)，測(cè)量精度極高。該原理在工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。

1 測(cè)量原理

1.1 測(cè)量電路

考慮到Cortex—M3微處理器(STM32F103)數(shù)據(jù)采集的電平要求及原理驗(yàn)證測(cè)試的方便，采用標(biāo)稱3.6 V的大容量鋰電池及分壓電路作為測(cè)試電路，如圖1所示。

1. 2 元件作用及參數(shù)選擇

E：等效的理想電壓源，待測(cè)參量;Ri：串聯(lián)等效的電池內(nèi)阻，待測(cè)參量;

負(fù)載測(cè)量支路：包括K2開關(guān)和分壓電阻Rl1、Rl2。Rl1和R2組成負(fù)載分壓器，電阻參數(shù)選擇，應(yīng)滿足數(shù)據(jù)采集端口的電平要求和重負(fù)載放電的要求，本支路選擇R1=1 Ω，R2= 2Ω。

空載測(cè)量支路：包括開關(guān)K1和分壓電阻Re1、Re2。Re1和Re2組成空載分壓器，分壓同比RL支路，但其參數(shù)選擇應(yīng)遠(yuǎn)大于RL支路，以不影響空載電壓的測(cè)量精度。本支路選擇R1=1 kΩ，R2=2 kΩ，分壓比相同，支路電流相差1 000倍，滿足上述測(cè)量條件。

UE0、UL0：分別是空載和負(fù)載電壓測(cè)量端，利用測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算并間接測(cè)量電池的空載及負(fù)載狀態(tài)的電池端電壓U0，并根據(jù)位差間接測(cè)量電源內(nèi)阻Ri。

K1和K2是用于測(cè)量控制的電子開關(guān)，其通態(tài)電阻僅為12 mΩ左右，可忽略其對(duì)電路的影響。

1.3 測(cè)量原理

圖1電路中，兩條支路的工作分別由K1、K2電子開關(guān)控制，且不同步。空載電壓測(cè)量時(shí)，斷開K2，閉合K1，根據(jù)電阻分壓原理，得到空載分壓輸出為：

2 仿真測(cè)試

利用電路仿真軟件對(duì)上述公式進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真測(cè)試中：仿真軟件為TINA V8.0工業(yè)版;空載測(cè)試支路參數(shù)選擇：(Re1+Re2)>>(Rl1+Rl2);內(nèi)阻Ri：變參數(shù)測(cè)試驗(yàn)證;仿真測(cè)試電路：參照?qǐng)D1。

2.1 仿真測(cè)試電路

分別接通和斷開圖1電路中的K1和K2測(cè)試開關(guān)，則空載電壓和負(fù)載電壓仿真測(cè)試等效電路如圖2所示，圖2(a)表示空載仿真測(cè)試圖，圖2(b)表示負(fù)載仿真測(cè)試圖。

2.2 仿真測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)上述參數(shù)選取原則，選擇圖2所示元件參數(shù)，利用公式(5)計(jì)算不同Ri時(shí)的仿真測(cè)量值及誤差分析，如表1所示。

表1的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了利用位差原理測(cè)量電源或電池內(nèi)阻的原理正確，具有極高的精度。

3 硬件設(shè)計(jì)

實(shí)際測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于Cortex—M3架構(gòu)的32位微處理器，利用片上內(nèi)置的自校準(zhǔn)、高速、高性能12位ADC數(shù)據(jù)采集模塊，并采用分時(shí)邏輯控制原理實(shí)現(xiàn)空載電壓和負(fù)載

電壓的測(cè)試，以消除由于測(cè)量過(guò)程引起的電池發(fā)熱、損壞等問(wèn)題。

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及原理圖如圖3所示。

電路圖說(shuō)明：R1～R3、T1、M1——空載測(cè)量控制開關(guān)。R4～R6、T2、M2——負(fù)載測(cè)量控制開關(guān)。其他元器件作用及功能同前。

4 軟件設(shè)計(jì)

在實(shí)際應(yīng)用中，僅測(cè)量靜態(tài)內(nèi)阻(即單點(diǎn)測(cè)量)可以滿足一般的工業(yè)應(yīng)用要求，但在電池或電源性能研究應(yīng)用中，則同時(shí)要求跟蹤電源特性，即電源內(nèi)阻的動(dòng)態(tài)性能測(cè)量。本

系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有靜態(tài)內(nèi)阻和動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測(cè)量功能。如圖5和圖6所示。

圖5表示靜態(tài)(單點(diǎn))數(shù)據(jù)采集流程圖，靜態(tài)(單點(diǎn))測(cè)試邏輯輯是根據(jù)單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集而進(jìn)行的。圖6表示動(dòng)態(tài)(多點(diǎn))數(shù)據(jù)采集流程圖，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)要求連續(xù)曲線輸出，以實(shí)現(xiàn)精密、直觀測(cè)量。

5 測(cè)試結(jié)果

5.1 負(fù)載單點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)

下表列出了3種低效手機(jī)電池、單點(diǎn)、重復(fù)(4次)測(cè)試的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。

5.2 動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測(cè)試顯示

電池在連續(xù)重負(fù)載條件下電池電壓、電流及內(nèi)阻變化曲線可以實(shí)時(shí)顯示其充電電流、電壓、溫度等，顯示效果較好，使用者可以實(shí)時(shí)了解電池的當(dāng)前狀態(tài)，方便用戶使用。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于電位差原理和Cortext—M3核微處理器控制的電池內(nèi)阻檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，實(shí)踐表明：測(cè)試原理正確，結(jié)果精確，應(yīng)用于該項(xiàng)目，完全滿足應(yīng)用要求，在精密檢測(cè)及工業(yè)檢測(cè)設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。