電池內(nèi)阻測試儀

BDC-60/BDC-61通用型是本公司重點推出的針對電池行業(yè)精確電池內(nèi)阻電壓測試的高速測試設備。
60內(nèi)阻最小分辨率0.001mΩ，電壓最大量程60V，測試速度20mS。結(jié)合更經(jīng)濟的性價比優(yōu)勢，廣泛用于實驗室、產(chǎn)線和自動化設備配套。

電池內(nèi)阻測試儀特 性 (FEATURES) 
電阻測試精度0.3%，電壓測試精度0.05%（僅60）；測試速度最快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，標配RS232和HANDLER接口
自動化測量，準確快速的判斷，適用于流水線上的產(chǎn)品分選和出廠檢驗
應 用 (APPLICATION) 
高精度鋰電池內(nèi)阻，電壓檢測
配套自動測試設備完成電池內(nèi)阻+電壓的自動檢測
電池的劣化狀態(tài)和壽命評估
超級電容的ESR測試
規(guī)格(SPECIFICATION) 
型 號 60 61
顯 示 4色 VFD 顯示
比較器 30組記錄，檔計數(shù)
觸發(fā)器 內(nèi)部觸發(fā)，手動觸發(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 測試引線損壞檢測功能, 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)阻測量的電池管理系統(tǒng)的設計
測量原理，由于大容量動力蓄電池的內(nèi)阻一般小于50mΩ，因此普通測量方法難以保證精度要求。
工程上比較常用的兩種測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，該方法首先測量電池的開路電壓。
然后進行大電流放電，一般放電倍率約為0.8，放電時間為2s左右，此時測量電池端電壓和流過負載的電流。
通過歐姆定律即可求出此時的極化內(nèi)阻和極化電容，理論上測量精度較高，由于大電流放電，因而不適合在線測量；
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、價格貴的傳感器。電池管理系統(tǒng)集成了電壓檢測和電流檢測裝置。
可粗略估算內(nèi)阻值，但如要獲得較高的測量精度，需要進行脫機大電流放電測量，對電池有一定的損害；
放電時間限制導致檢測時間長，因此限制了該方法在蓄電池檢測系統(tǒng)中的普遍應用。交流注入法即將低頻交流的恒流小信號注入到電池。
然后測量電池兩端的響應電壓，利用鎖相放大器進行信號處理，進而可求得電池的內(nèi)阻值，整個電路系統(tǒng)屬于小信號處理電路。
容易引入干擾，為提高測量精度，需采用四端子測量方法。信號頻率一般選擇1KHz，主要原因是鎖相放大器此頻率下性能表現(xiàn)較佳。
另外與噪聲信號頻率相差較大，容易提取低頻信號，濾波誤差小。選擇較小的信號幅值，以便忽略測量小信號對電池狀態(tài)的影響。
實現(xiàn)在線測量，蓄電池若在大電流狀態(tài)下，則測量值為歐姆內(nèi)阻與極化內(nèi)阻之和，交流注入法能測量大部分蓄電池，應用廣泛。
綜合考慮項目要求，本文采用交流注入法測量電池內(nèi)阻。測量原理框圖如圖1所示。測量系統(tǒng)的電路主要由信號發(fā)生電路產(chǎn)生所需頻率的電壓信號。
通過V/I變換電路實現(xiàn)恒流；注入采樣電阻和蓄電池，放大采樣信號和測量信號；然后兩路信號輸入到鎖相放大器AD630。
對信號進行檢波處理，再通過低通濾波器實現(xiàn)濾波，信號變?yōu)橹绷?，同時濾除高頻噪聲信號，使信號平滑；
最后通過STM32的A/D轉(zhuǎn)換電路和控制電路，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的處理和傳輸，采用抗干擾能力較強的RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸。

設參考電阻上的電壓信號為……（1），電池兩端的電壓信號為：……（2）。
其中：為蓄電池內(nèi)部極化電容產(chǎn)生的相位差。參考信號和測量信號通過鎖相放大器后，噪聲信號與測量信號獨立不相關(guān)。
噪聲被濾除，則處理后信號為……（3）其中：G為差分放大器增益。
然后信號通過低通濾波器，2倍頻信號被衰減濾除，只剩下直流信號：……（4），其中：K為濾波電路增益。
電池內(nèi)阻的計算公式為：……（5），其中：I為交流恒流源最大值，測量系統(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。
通過式（6）可求出此時電池內(nèi)阻值，電源回路，依據(jù)項目要求，測量系統(tǒng)的電源由被測電池提供。
為阻礙測量的交流小信號進入直流供電回路，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。
測量電路設計為提高測量精度，信號放大器需采用共模抑制比較高的儀器放大器，鎖相放大器是本測量系統(tǒng)的核心部分。
主要由相敏檢測單元和低通濾波器構(gòu)成，為提高測量精度，相敏檢測單元需要高精度運算處理芯片并且具有較高的開關(guān)速度和靈敏度。
交流信號發(fā)生器，前面分析可知，交流信號頻率設定在1KHz，信號發(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單。
性能上能滿足測量系統(tǒng)的要求，實現(xiàn)電路原理如圖2所示，通過調(diào)節(jié)Rw2和Rw1可以實現(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)電壓信號幅值。振蕩電容C選擇為3300pF。
V/I變換電路，為了實現(xiàn)信號穩(wěn)定性，在信號發(fā)生器信號輸出之后通過一個信號跟隨器，提高信號的輸出穩(wěn)定性。
減小信號失真度，V/I電路采用比較常見的運算放大器拓撲實現(xiàn)，功率放大器選用OPA544T輸出電流能力滿足系統(tǒng)50mA的要求。
使用時需在電源處并聯(lián)去耦電容，使供電回路穩(wěn)定，兩個跟隨器采用高精度，低溫漂、低偏移運放OP07。
為了消除電池直流電壓對本級電路的影響，測量中需要通過大電容實現(xiàn)交流耦合，隔離直流信號，但信號頻率較低。
為保證信號不失真，應選擇合適的耦合電容C參數(shù)，V/I變換電路如圖3所示由于運放引入負反饋。
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，信號放大電路，對采樣電阻和電池的交流電壓信號分別進行放大。
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、低偏置電流場效應運算放大器。
可調(diào)高增益達1000倍以上，共模抑制比最小為106dB，是小信號處理性能較為優(yōu)秀的儀器放大器。
使用中注意電源需按上去耦電容，使信號輸出更穩(wěn)定。實現(xiàn)電路如圖4所示，放大倍數(shù)為：，由圖4可知。
本電路是一個高通濾波器，為了抑制共模信號，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電路的影響。
鎖相放大器電路，本部分電路為測量系統(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100dB，AD630主要用于鎖相放大器，相敏檢測電路。
同步檢測、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。
參考信號經(jīng)過比較器后轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的方波信號，展開為傅里葉級數(shù)：……（12）。
把式（12）代入式（3），最后得到直流信號為：……（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，截止頻率設計盡量低，使2倍頻及高頻干擾信號基本衰減到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電壓芯片MA6701提供。本部分電路需要注意在信號進入ADC轉(zhuǎn)換通道之前。
需進行過壓保護處理，主要原因是測量端開路會造成運算放大器飽和，導致輸出電壓高達10V，供電電源選擇12V。
容易擊穿芯片，造成電路的損害。本設計采用了兩個快恢復肖特基二極管串聯(lián)，鉗制輸入信號。
防止燒壞STM32，實現(xiàn)電路如圖6所示。其中（R1+R2）、C構(gòu)成一階濾波器，同時電容C起到一定的電壓緩沖作用。
增強電路的安全性，時間常數(shù)選擇需適中，過大則影響測量響應時間。實驗結(jié)果討論數(shù)據(jù)處理，在實際測量中，為了消除導線電阻引入誤差。
采用兩個精密電阻代替電池，分別測得ADC電壓值為UR1、UR2，則可以通過比值消除其他參數(shù)測量結(jié)果的影響。
實驗測試發(fā)現(xiàn)，當替代電阻與電池電阻值接近時，誤差較小，本系統(tǒng)采用10mΩ和20mΩ的精密電阻。
誤差均為1%，實驗數(shù)據(jù)測量電池為某品牌12V/12AH鉛酸蓄電池，61內(nèi)阻測量儀的測量值。分別測量了3節(jié)蓄電池所得結(jié)果如表1所列。
表 1 蓄電池內(nèi)阻測量結(jié)果
蓄電池編號 61/mΩ 測量系統(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%
測量誤差主要受ADC轉(zhuǎn)換精度、導線寄生參數(shù)、運算放大器的漂移、電源穩(wěn)定性等影響。改進方法主要有：采用高精度獨立ADC轉(zhuǎn)換芯片。
接線盡量短，電源完整性設計也需要注意；電阻應選擇溫漂低、穩(wěn)定性優(yōu)良的儀器電阻；但是也需顧及成本要求。