周炯如，劉鎖蘭，何可人，諸燕平

（常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇常州213164）

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的狀態(tài)好壞和壽命長短在很大程度上決定了整車性能的優(yōu)劣。動(dòng)力電池組合應(yīng)用不僅要求單體電池的性能指標(biāo)達(dá)到規(guī)定的要求，對(duì)參與配組的單體電池性能的匹配也有嚴(yán)格的要求。通過一定的電池分選方法，在成組過程中可以檢測電池參數(shù)，其中串聯(lián)等效電阻（電池內(nèi)阻）和電池電壓是最主要的兩大測試參數(shù)[1-2]。

目前常用的電池內(nèi)阻測試法主要有兩種：一種是直流放電法，其放電電流大，對(duì)電池傷害大，誤差大；另一種是交流測試法，其激勵(lì)電流小，開路電壓低，干擾抑制性能強(qiáng)，對(duì)電池?zé)o損傷，但價(jià)格昂貴[3-6]。國外普遍使用交流測試法，如日本日置公司（HIOKI）于2010年研制的專門針對(duì)動(dòng)力電池內(nèi)阻的電池內(nèi)阻儀。國內(nèi)在交流測試法領(lǐng)域的研究相對(duì)落后。動(dòng)力電池具有內(nèi)阻小、電壓高、電流大和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，特別是由于開路電壓較高，使得現(xiàn)有的內(nèi)阻測試儀只能在電池未成組之前進(jìn)行測試，而測試結(jié)果和成組后實(shí)際內(nèi)阻差異較大[7-8]。

隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的加速，電池參數(shù)檢測也開始由手工操作向自動(dòng)化方向發(fā)展，且最新測試要求不但能測試整個(gè)電池組的內(nèi)阻，同時(shí)還需測量其它參數(shù)如電壓、阻抗等。但是現(xiàn)有測試分選系統(tǒng)普遍存在測試速度慢和分選速度慢等缺陷。其中測試速度慢的主要原因是測試儀器采樣部分的積分器和AD 轉(zhuǎn)換器是分開的；此外，運(yùn)算過多依賴處理器，占用太多通訊時(shí)間也影響測試效率。

基于此，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA 的快速電池分選系統(tǒng)，主要用于整個(gè)電池組的內(nèi)阻和電壓的測試，以指導(dǎo)分選。

1 基于FPGA的快速電池分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的快速電池分選系統(tǒng)以硬件邏輯為基礎(chǔ)，內(nèi)建有硬件乘法器。控制、運(yùn)算和分選等功能均由硬件完成。硬件電路直接由FPGA 控制和協(xié)同工作，以降低響應(yīng)時(shí)間，減少處理器的介入和通訊時(shí)間[4]。FPGA 只需把結(jié)果給處理器，從而可以有效提高測試和分選的效率。

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及各組成部分的功能

由FPGA 產(chǎn)生2 kHz 的信號(hào)注入測試端，直接通過硬件判斷是否有電池接入，并把輸出信號(hào)傳遞給FPGA。當(dāng)有被測電池接入時(shí)，系統(tǒng)將1 kHz 的恒流源注入電池。同時(shí)在電池的兩端采樣直流電壓和交流信號(hào)，通過增益將信號(hào)放大，再通過鑒相器將有用信號(hào)剝離出來，并由積分型AD 轉(zhuǎn)換器直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。FPGA 將獲取的AD 值由內(nèi)部乘法器進(jìn)行校準(zhǔn)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果直接和比較器上下限值進(jìn)行比較后輸出分選結(jié)果。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖 1 中，F(xiàn)PGA 和 1 kHz 恒流源(圖 1 中 4)連接，為 1 kHz恒流源提供相位穩(wěn)定的1 kHz 基準(zhǔn)信號(hào)，1 kHz 恒流源產(chǎn)生的交流電流注入被測電池。

交流恒流源輸出1 kHz 的電流，用于測試電池的內(nèi)阻。交流恒流源輸出2 kHz 的電流(圖1 中6)，用于檢測測試線是否完好和被測電池有沒有被接入。

比較器用于檢測被測電池是否被接入，輸出信號(hào)接FPGA。

放大器分別放大電池兩端的直流信號(hào)和交流信號(hào)，它將交流信號(hào)放大很高的倍數(shù)，直流信號(hào)保持較小的放大倍數(shù)。信號(hào)經(jīng)放大后分別進(jìn)入帶通濾波器（圖1 中8） 和低通濾波器（圖1 中9）。帶通濾波器濾除1 kHz 以外的低頻和高頻噪聲。低通濾波器的信號(hào)交流部分被濾波掉，剩下的直流信號(hào)為電池兩端的直流電壓信號(hào)。

檢相器的作用是將輸入信號(hào)和參考信號(hào)做乘法運(yùn)算。輸入信號(hào)Vin=Am×sin(ωt+θ)；ω =2 πf(f=1 kHz)；參考信號(hào)Vref=B×sin(ωt+ψ)；Vo=Vin×Vref=Am×B×[cos(θ－ψ)+cos(2 ωt+θ+ψ)]。

當(dāng)進(jìn)行電阻值測試時(shí)，積分型AD 轉(zhuǎn)換器（圖1 中11）工作，積分時(shí)間為n個(gè)測試信號(hào)周期（1 ms）。AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換值由FPGA 計(jì)數(shù)獲得，然后通過內(nèi)部硬件乘法器進(jìn)行校準(zhǔn)運(yùn)算獲得電阻值。

本系統(tǒng)用于快速分選，因此電池內(nèi)阻主要測量電池阻抗的電阻分量部分。電池阻抗在阻抗平面的分布如圖2 所示，是通常的容性和阻性。當(dāng)ψ=0°時(shí)，積分型AD 轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果為Am×B×cosθ，即阻性分量。當(dāng)ψ=90°時(shí)，可獲得容性阻抗分量。對(duì)于參考信號(hào)相位角的調(diào)整可以由FPGA 實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)進(jìn)行電池電壓測試時(shí)，積分型AD 轉(zhuǎn)換器（圖1 中12）工作，積分時(shí)間同樣是n個(gè)測試信號(hào)周期（1 ms），其轉(zhuǎn)換值也由FPGA 計(jì)數(shù)獲得，并由FPGA 完成校準(zhǔn)運(yùn)算，最后通知處理器。

須注意的是，AD 轉(zhuǎn)換器（圖1 中12）只對(duì)Vo的直流分量Am×B×cos(θ－ψ)進(jìn)行積分，對(duì)交流分量Am×B×cos(2 ωt+θ+ψ)不積分。因此，用于檢測被測電池的2 kHz 恒流源（圖1 中6）產(chǎn)生的信號(hào)，AD 轉(zhuǎn)換器對(duì)其不積分。

對(duì)于電池電壓的測量，由于電池電壓的幅度（一般鋰電池電壓為4 V 左右） 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于施加在電池上的交流信號(hào)幅度（一般在1 mV 以內(nèi)），通過低通濾波后，交流信號(hào)將進(jìn)一步衰減，積分器的積分周期是測試波形周期的整數(shù)倍，因此交流測試信號(hào)衰減后的幅度對(duì)測量電池電壓無影響。

圖2 電池阻抗圖

1.2 比較器的設(shè)計(jì)

1 kHz 和2 kHz 的交流恒流源（圖1 中4 和6）輸出電流I，施加在被測物上后，恒流源的輸出電壓為；令的電壓表示形式sin(ωt+θ)。其結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，比較器 14 和 15 是電容，用于隔離直流信號(hào)；運(yùn)放16 至運(yùn)放19 是比較器LM339；電阻20為上拉電阻。比較器為開漏輸出。當(dāng)輸入的1 kHz 交流信號(hào)幅度超過Vm或2 kHz 交流信號(hào)幅度超過Vn時(shí)，比較器輸出低；當(dāng)有電池接入時(shí)，比較器輸出高。FPGA 一旦接收到高信號(hào)便判斷為有被測物接入，同時(shí)控制其它硬件電路進(jìn)行協(xié)同測試。

圖3 比較器組成

1.3 積分型AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

積分型AD 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)主要利用了電荷平衡原理。積分電容對(duì)被測信號(hào)積分的電荷量Qc等于基準(zhǔn)電流源所泄放掉的電荷Qd，同時(shí)對(duì)泄放掉的電荷進(jìn)行計(jì)時(shí)。其原理如圖4 所示，其組成包括被測信號(hào)的源內(nèi)阻21，基準(zhǔn)電流源22，運(yùn)放23，積分電容24，計(jì)數(shù)器25，以及過零比較器26，用于判斷電荷是否平衡。

圖4 積分型AD轉(zhuǎn)換器原理

Qc=Qd。其中，Qc=Ix×T1，Ix為被測電流，T1為積分時(shí)間；Qd=Ir×T2，Ir為基準(zhǔn)電流，是已知量，T2為放電時(shí)間。

令被測信號(hào)Vx=R×Ix=R×Ir×T2/T1。R為信號(hào)源內(nèi)阻，是已知量；T2和T1都可由 FPGA 計(jì)數(shù)獲得。所以，Vx可以轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的讀數(shù)值。

積分時(shí)間T1設(shè)計(jì)為測試信號(hào)頻率的整數(shù)倍，這樣可以有效抑制交流成分，同時(shí)得到完整的若干個(gè)信號(hào)周期的積分，使得響應(yīng)更快。

2 實(shí)驗(yàn)測試與分析

本文實(shí)驗(yàn)均在5～25 ℃溫度范圍內(nèi)，濕度＜75%rh 條件下進(jìn)行。

實(shí)驗(yàn)一：成組前后內(nèi)阻和電壓測試。選用3個(gè)單體電池串聯(lián)成組，測試數(shù)據(jù)如表1 表示。

表1 單體電池和成組電池的電壓及內(nèi)阻

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，成組后的電池組電壓基本等于3 個(gè)單體電池電壓總和，但是測得的電池組內(nèi)阻均明顯大于3 個(gè)單體電池內(nèi)阻總和303.43 mΩ。這主要是由于電池成組時(shí)的焊接操作導(dǎo)致焊接電阻產(chǎn)生，使得成組前后內(nèi)阻出現(xiàn)較大差異?？梢妼?duì)電池組進(jìn)行整體測試，可準(zhǔn)確評(píng)估實(shí)際組串內(nèi)阻，對(duì)電池分選具有重要的指導(dǎo)意義。

實(shí)驗(yàn)二：采樣時(shí)間測試。分別在超快速、快速、中速及慢速條件下，測試基于FPGA 的快速電池分選系統(tǒng)的采樣時(shí)間。測試數(shù)據(jù)如表2 所示。由表2 可知，最小響應(yīng)時(shí)間達(dá)7 ms，因此本系統(tǒng)適合于產(chǎn)線高速分選的需求。

表2 采樣時(shí)間

實(shí)驗(yàn)三：本文系統(tǒng)實(shí)際內(nèi)阻和電壓測量范圍如表3 和表4所示。隨著量程的增大，內(nèi)阻及電壓測量范圍相應(yīng)增大，內(nèi)阻測試范圍0.1 μΩ～3200 Ω，測量精度達(dá)0.5%。電壓測試范圍10 μV～800 V，測量精度0.01%。因此本系統(tǒng)可適用于大中小型成組電池內(nèi)阻和電壓的測試。

表3 阻抗測量

表4 電壓測量

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的快速電池分選系統(tǒng)主要利用了FPGA 的高度集成化性能，簡化硬件電路，使得設(shè)備小型化。在降低功耗的同時(shí)還提高了系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的故障率。利用FPGA的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)各種邏輯控制和校準(zhǔn)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種硬件功能的集成。工作狀態(tài)間的切換直接由FPGA 完成，從而有效縮短了與處理器的通訊時(shí)間。利用電荷平衡原理設(shè)計(jì)的積分型AD 轉(zhuǎn)換器，將積分器和AD 轉(zhuǎn)換器合為一體，極大地提高了響應(yīng)速度。系統(tǒng)操作簡便，分選參數(shù)靈活可變電，電阻和電壓有多個(gè)量程可選，因此可分別配置成多檔，操作實(shí)用性更強(qiáng)，滿足動(dòng)力電池生產(chǎn)企業(yè)對(duì)相關(guān)參數(shù)的測量需求。

[1]王佳元,孫澤昌,魏學(xué)哲,等.電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分選方法研究[J].電源技術(shù),2012,36(1)：94-98.

[2]王震坡,孫逢春,張承寧.電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池組不一致性統(tǒng)計(jì)分析[J].電源技術(shù),2003,27(5)：438-441.

[3]江雪山.使用單片機(jī)制作的毫歐表[J].電子世界,2005(5)：30-31.

[4]鮑勁松,梅軍.一款新型電工毫歐電阻測試儀的設(shè)計(jì)[J].電子工程師,2004,30(7)：10-11.

[5]吉時(shí)利.2000 系列數(shù)字萬用表[J].電子測量技術(shù),2000(4)：51.

[6]申文龍.自穩(wěn)直-直變換式毫歐/ 兆歐表：中國, 92108799.3[P].1994-02-16.

[7]單毅.鋰離子電池一致性研究[D].上海：上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所,2008.

[8]宋永華,胡澤眷,陽岳希.電動(dòng)汽車電池的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電網(wǎng)技術(shù),2011,35(4)：1-7.