齊延興，楊雪銀，王增玉

基于STM32的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)設計

齊延興，楊雪銀，王增玉

（臨沂大學 自動化與電氣工程學院，山東 臨沂 276005）

文章設計了一款以STM32微處理器為核心的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)，采用交流阻抗法對電池內(nèi)阻進行測量。針對測量信號微弱，易淹沒于噪聲的特點，應用相關檢測技術以檢出有用信息。調(diào)試和對比實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對蓄電池內(nèi)阻的在線、快速、精準測量。

STM32；蓄電池；交流阻抗法；相關檢測

1 引言

隨著能源危機和環(huán)境污染的加劇，電動汽車的保有量快速上升，蓄電池的應用量也快速上升。蓄電池性能和使用壽命對于電動汽車來說意義重大，是制約電動汽車發(fā)展的關鍵因素。電池內(nèi)阻是評價蓄電池性能的關鍵指標，不僅能反映電池當前荷電狀態(tài)，還能反映電池的劣化程度，并由其推斷電池的性能和壽命。因此，運用內(nèi)阻檢測法來評價電池的性能是現(xiàn)今主要采用的方案之一[1,2]。

蓄電池內(nèi)阻測量主要有直流放電法和交流阻抗法。直流放電法必須靜態(tài)或脫機進行，瞬間大電流放電會對電池造成較大損害。交流阻抗法是對蓄電池施加小幅值的正弦信號，通過測定其輸出響應來推算電池內(nèi)阻。該方法可在線測量且不會對電池造成損害。其響應信號幅值很小，需設計良好的濾波器以檢出有效信息。本文應用交流阻抗法設計一款蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)，并采用相關檢測技術檢出有效信息。

2 檢測原理

交流阻抗法測量蓄電池內(nèi)阻，不需對電池放電，可在任何狀態(tài)下進行測量。但由于蓄電池的內(nèi)阻很小，一般在幾毫歐至幾十毫歐，施加正弦激勵后，在電池兩端產(chǎn)生的電壓信號非常微弱，往往被噪聲淹沒，需進行放大后運用相關檢測原理，測出電池兩端的交流電壓信號[3-5]。蓄電池內(nèi)阻測量和相關檢測原理如圖1所示。

根據(jù)相關檢測原理，混有噪聲的待測信號和參考信號經(jīng)相關運算后，信號和噪聲、噪聲和噪聲之間相互獨立，其相關函數(shù)為零。只有信號和信號相關，且可從噪聲中檢出。再經(jīng)積分器后的輸出信號只與電池內(nèi)阻成比例。最終，經(jīng)相關檢測后，只要測出電池兩端的交流電壓值和流過的交流電流值，就可計算出電池的內(nèi)阻。

圖1 內(nèi)阻測量和相關檢測原理圖

3 硬件設計

該系統(tǒng)是以蓄電池為研究對象，對其施加正弦激勵后，對響應信號進行放大、相關處理后測量電池的內(nèi)阻，根據(jù)檢測結果對電池的性能做出評價。蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。其硬件電路主要包括STM32主控模塊、正弦信號發(fā)生電路、信號處理電路、相關檢測電路、顯示電路、通信電路等。

圖2 蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)原理框圖

3.1 STM32微處理器

經(jīng)相關檢測后輸出的電壓信號需進行A/D轉換。為滿足高精度A/D轉換的需要，本設計選用了帶有12位ADC的32位嵌入式微處理器STM32F103。

該單片機是意法半導體公司推出的一款超低功耗32位微處理器，工作頻率高達72MHz。片內(nèi)具有20KB的SRAM和64KB的FLASH。配備有1μs的雙12位ADC、4兆位/秒的UART、18兆位/秒的SPI、翻轉速度高達18MHz的眾多I/O。

3.2 正弦信號產(chǎn)生電路

交流阻抗法需給蓄電池施加正弦激勵信號。同時，相關檢測需要將待測信號和參考信號進行相乘、積分運算。因此，需要產(chǎn)生正弦信號和參考信號。參考信號可以是方波、三角波、正弦波等周期性信號。本設計選用正弦波作為參考信號。正弦波產(chǎn)生電路選用AD公司生產(chǎn)的AD9850。這是一款采用先進的CMOS技術的直接頻率合成器，最高時鐘為125MHz。

AD9850有40位的控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制。其輸出頻率可由式1求得。

式中：f為輸出信號頻率；為參考時鐘頻率；△為32位頻率控制字。

3.3 信號處理電路

由于待測信號非常微弱，必須先進行放大濾波再送入相關檢測器。信號處理電路如圖3所示。其由高性能儀用放大器AD620和帶通濾波器構成。

圖3 信號處理電路

3.4 相關檢測電路

相關檢測電路采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度平衡調(diào)制器，采用靈活的換流結構，由SiCr薄膜電阻提供出色的精度和溫度穩(wěn)定性。其信號處理由平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢波、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大及方波乘法等電路構成。

本設計采用兩片AD630構成雙通道的相關檢測電路。相關檢測電路如圖4所示。

圖4 相關檢測電路圖

4 軟件設計

蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，采用模塊化程序設計，包括主程序、數(shù)據(jù)轉換子程序、數(shù)據(jù)處理子程、顯示子程序、CAN通信程序等。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

5 系統(tǒng)測試結果

按文中設計方案制作的蓄電池內(nèi)阻測量系統(tǒng)，與天宇T2818蓄電池內(nèi)阻檢測儀所測得的結果進行對比。測試電池為安警12V/8Ah的鉛酸蓄電池，使用時間一年左右。測試結果如表1所示。

表1 電池內(nèi)阻測量結果對比

由表中數(shù)據(jù)可以得出，所設計的系統(tǒng)與T2818所測得的結果基本一致，表明所設計的系統(tǒng)達到了基本要求。

本文采用交流阻抗法和相關檢測技術實現(xiàn)了蓄電池內(nèi)阻的精準測量，可以方便地在線、無損、快速測量蓄電池內(nèi)阻，并給出蓄電池性能的評價。系統(tǒng)具有成本低、易于實現(xiàn)、測量精度高等優(yōu)點，具有廣泛的應用前景。

[1] 張菲菲,王俊霞.閥控鉛酸蓄電池性能檢測和監(jiān)控方案[J].電氣與能源,2020,41(1):80-83.

[2] 毛猛,楊杰.基于交流放電法的鉛酸電池的內(nèi)阻測量[J].機械與電子,2019,37(3):34-37.

[3] 李芳培,毛建國.基于交流阻抗法的蓄電池內(nèi)阻測量[J].重慶工學院學報（自然科學）,2009,23(9):93-98.

[4] 馮建,胡俊杰.交流注入式電池內(nèi)阻測試儀電阻參數(shù)的校準方法[J].計量學報,2020,41(5):593-596.

[5] 朱曉莉,厲霞.基于AD630的雙相鎖相放大器設計[J].機電工程技術,2012,41(6):19-23.

Design of Battery Internal Resistance Measurement System Based on STM32

Qi Yanxing, Yang Xueyin, Wang Zengyu

( School of Automation and Electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

In this paper, a battery internal resistance measurement system based on STM32 microprocessor was designed. The internal resistance of the battery was measured by ac impedance method. Aiming at the characteristics of weak measurement signal and easy to be submerged in noise, correlation detection technology was applied to detect useful information. The experimental data show that the system can measure the internal resistance of the battery online, quickly and accurately.

STM32; Storage battery; AC impedance method; Correlation detection

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.014

U463.63+3

A

1671-7988(2021)02-41-03

U463.63+3

A

1671-7988(2021)02-41-03

齊延興，就職于臨沂大學自動化與電氣工程學院。