自动校准技术在锂电池内阻测试中实现

第３２卷第５期中国测试技术

Ｖｄ．３２Ｎｏ．５

２００６年９月

ａ｝ⅡＮＡＭＥＡＳＩＩＩｉ日帕强汀．１１Ⅸ翻Ｎ０１０ＧＹ

Ｓｅｐｔ．２００６

自动校准技术在锂电池内阻测试中实现

马

超，田书林

（电子科技大学自动化工程学院，四川成都６１００５４）

摘要：概述了采甩锁相放大技术测试锂电池内阻的方法；重点介绍了一种通过标准纯电阻的自动校准技术测试锂电池内阻的新方法：在微弱信号测试过程中，环境诸多因素对测试的精度和结果影响很大，自动校准技术很好的

消除了系统误差带来的影响，并且能很方便的对仪器进行校准；另外，这种方法对于其他的微弱信号测量也有一定的指导意义，文章最后给出了本系统状态转化图和软件流程图。

关键词：锂电池；内阻测试；锁相放大；自动校准；微弱信号

中图分类号：１Ｐ２９

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７删（２００６）０５－００３６－０３

Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒｎａｌ

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１

引言２锁相放大技术在内阻测试中的运用

锂电池的内阻是锂离子电池一个主要的性能指交流法被各个厂家广泛采用，运用通过锁相放标。随着充放电次数的增多，锂电池的内阻会逐步大技术检测锂电池内阻是比较典型的方法。运用该增大，当增大达到一定的程度后，电池将因不能进行技术的电路原理图１所示。

充放电而作废。所以，电池厂商通常把生产的电池内阻指标，作为质量控制的主要参数之一。正常锂电池的内阻和其容量有关，容量越大内阻越小。８００

～１０００ｍＡｈ的锂电池内阻一般在５０衄以内。

电阻值不能直接检测，需要把电阻值转换为对应的电压值才能被量化。锂电池内阻值比较小，内阻测试环境噪声因素不可忽略，如何有效的抑制噪声干扰成为内阻测试的关键技术。目前电池内阻测图１锁相放大技术测量电池内阻原理图

试方法主要分直流法和交流法两种。直流法大多需要在电池上加载瞬时高电压，这对电池使用寿命很信号发生器产生的０．５Ｈｚ一１０ｋＨｚ，５０ｍＡ的正有影响，一般不采用。交流法相对直流检测方法有弦信号，通过耦合电路加在电池上，采用的是四线制很多优点，如体积小、成本低、对电池无损害、可在线测量。

测量、可进行频繁的测量等，目前基本采用该种方法交流差分放大电路把加在电池上的低频信号产进行内阻测试。

生的交流信号进行放大处理，该交流信号为包含有电池内阻信息的电压信号。

锁相放大及滤波电路是整个测试的核心部分，

收稿日期１２００５．１２－１８；收到修改稿日期：２００６－０３－０５

采用具有锁相放大功能的调制解调模块ＡＤ６３０。它

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方数据

第３２卷第５期

马超等：自动校准技术在锂电池内阻测试中实现

３７

的输入信号分别是取样电阻Ｒｒ上的参考信号和经过电池的测试信号。

交流电流信号源的输出电流为，＝Ａｓｉｎｏ－ｔ，则

取样电阻府两端的电压降为ｕｆ＝，・Ｒｒ＝Ａ・Ｒｒ・

ｓｉｌｌ“。由于电池内阻抗上有容性成分存在，所以电池上产生的交流电压信号会产生相移，设差分放大

器的增益为Ｂ。

ＡＤ６３０的输出为：

Ｕｏ＝配・珥＝Ａ・Ｂ・ｌ足卜ｓｉｎ（ａｉｒ＋口）・珥

其中Ａ、曰分别是信号源的振幅和差分放大器的增益。

阢：是参考信号的对称方波。

经过—个低通滤波器以后，低通滤波器的输出为：

Ｖ０７＝２Ｅ，ｈｒＣｃｏｓＯ＝（２肚Ｃ）Ｉ足Ｉ

ｃｏｓ０＝

（２肚Ｃ），积

其中Ｃ是滤波器的增益。用基准电阻ｍ替换电池进行同样的测试（恒流源电流保持不变），通过类似的推导可得输出信号为：

Ｖｏ

ｃ７＝（２Ａ曰Ｃ）／相。

根据以上两式，可得砜７／Ｕｏ。’＝Ｒ／Ｒ，于是电池内

阻Ｒ＝Ｕ０７／砜。７Ｒ。。

后部的处理由单片机完成测量的数据处理和

ＬＥＤ现实功能。

这种方法的优点是：

（１）利用相关原理来测试微弱信号，有效的降低了噪声干扰。

（２）电路简单器件选择无特殊的精度要求就能达到很高的测量精度。

（３）响应时间短，适于在线测量。

但是，这种方法主要的缺点是无法解决系统误差，系统校准难度比较大，测试系统在使用一段时间以后准确度下降。另外，环境因素比如温度的升高也会影响测试的精度。

下面提出一种全新的而且简单的测试手段：自校准测试。

３用自动校准技术测试电池内阻

下面介绍的电池内阻测试系统，是一套已经商业化的成熟方案。测试电池的内阻和电压，同时设定不合格的内阻和电压参数，对不满足要求的电池ＬＥＤ报警提示。目前基本认同的电池内阻模型如图

２所示。

图２锂电池内阻模型

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方数据电池既有纯电阻成分，还同时包含容性成分，和感性成分。测量电池内阻只需要得到它的纯电阻成分，而不关心它的容抗和阻抗。也就是说电池性能的下降主要是这个纯电阻阻值增大造成的。所以，自动校准的原理就是：用两个已知高精度纯电阻在电路上取代电池，通过测试这两点的电压值得到一条电压和内阻的关系曲线。测试电池内阻的时候再把激励信号加到电池上，得到电压值根据曲线就可以找到内阻值了。使用这种方法很轻松的越过了电池容性和感性成分的影响，得到就是电池的纯电阻成分。

流音频电流源，ｌ，目前一般使用ｌｋＨｚ频率，５０ｍＡ的雕一圈榔

图３自动校准测试原理图

具体实现方法如下：在电池两端施加一恒定交

小电流，通过放大、滤波、整流等网络，最后由ＭＤ转换器把检测到的端电压％送人单片机。显然，电池的交流阻抗为Ｚ＝Ｖｏ／Ｉ，，由于ｔ是恒定的，得到一个关于电压和电阻的线性曲线。经过滤波整流以后电池的内阻就对应一个确定的直流电压。根据公式％，玩＝Ｒ。／Ｒ。（ｂ为标准电阻），得到真实的内阻值。理想状态下，电压和内阻值是在Ｖ－Ｒ平面上，是通过原点的一条直线。

下面简单介绍一下这个内阻测试系统的几个典型的设计以及实现手段。对于数字处理和键盘现实部分的接口只简单提一下，不做赘述。图４是整个系统的实现模块图０

滤差分放大电路

波整流工二二工

电

电路电池工二］

电黼正电阻

两端ＭＣＵ

直流耦合驱动电路

电压

音频信号发生器卜．—一滤波电路

图４校准法测试内阻实现框图

３．１标准电阻校准电路

前向通道电路除了“电池／校准电阻”环节外和锁相放大技术测试的电路功能上是差不多的。

校准时，选取两个标准电阻５０ｎｎ和１５（ｈｎＱ。接入５０ｒｄｌ电阻，得到了一个电压值以，接入１５０ｎｆｆｌ电阻，得到了一个电压值以，即在标准电阻一电压坐

３８中国测试技术

２００６年９月

标系中，知道（５０，Ｕ。）和（１５０，％）两点，再根据），。＝‰ｌ＋ｂ和Ｙ２＝Ｋｘ２＋ｂ，得到了校正直线Ｙ＝／６：＋ｂ。如果电路中恒流做的足够好的话，可以先尝试用一个校正电阻，因为这个时候的Ｋ基本上是变化得很小的，可以认为是恒定的，这个时候只需要得到ｂ，就可以得到我们需要的校正直线。测试的时候，根据每次检测到的电压值，通过校正直线，得到真实的内阻值。

３．２量程自动切换电路

锂电池生产企业提出的技术指标如表ｌ。

表１主要型号和技术指标内阻范围（Ⅱｎ）

内阻精度

电压范围（ｖ）

电压精度

锚．１榴－２自０动０；搦换１９９）９±（ｏ．２％劂㈣鬣蒯舻±（０．１％ＦＳ＋２楷）

ＭＣＵ控制模拟开关选通测试通路。比如ＭＡＸ４６３６模拟开关，它切换时间短，无接触电阻。但是，测量的最高电压是４０Ｖ，信号需要衰减以后才能测量。所以，实际电路是先把测试信号衰减１／４，但为了满足精度要求，在ＡＤ采样前分成三个独立的通道：放大通道，跟随通道，衰减通道。这样划分的目的就是为了保证测试电压在低量程时（Ｏ～５Ｖ）满足精度的要求。内阻测试分成两个通道。ＡＤ的分辨率是１２Ｂｉｔ的，如果直接转换，内阻的最小分辨率为２０００／２＾１２＝０．４８ｍ（２，内阻一般为几十个毫欧，这样的分辨率就无法满足精度要求。考虑这个因素，将内阻测试分为两档，０—２（ＤｍＱ为一档，２００ｎ＝ｌＱ～２０００ｒｎＱ为一档。当测试的阻值在２００ｒｍｑ以内的时候，将信号放大１０倍，输入ＡＤ的满量程为２００ｒｎｆ２，转换的最小分辨率就是２００／２＾１２＝０．０４８ｍｆ２，这样就大大的提高了测量精度。

３．３

ＭＣＵ控制器的选择

本着‘够用就好’的想法，选择了这款带ＡＤ转

换功能的微控制器－－ＡＤｕＣ８４３。具体引脚和功能见参考文档。

本设计要用到的接口有：Ｐ１（Ｐ１．０，Ｐ１．１，Ｐ１．２，Ｐ１．３）口用于输入电压和内阻的测试信号，Ｐ０口用于在扩展存储器的时候做为低８位地址总线和８位数据总线。Ｐ２口作为高８位地址总线。由于在本应用中，Ｐｌ口只能用于输入，Ｐ０、Ｐ２口要用于存储器扩展，Ｐ３口用于ＲＳ２３２串行通信（Ｐ３．０，Ｐ３．１），１２Ｃ总线（ＳＣＬＯＣＫ，ＳＤ觚＇Ａ），储存器读写控制（Ｐ３．６，Ｐ３．７）和键盘中断，因此需要扩展Ｉ／０口来控制电路，采用７４ＨＣ３７３和光电耦合器件作为Ｉ／Ｏ扩展器件。７４ＨＣ３７３的输出端通过光电隔离做为单片机的

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方数据输出控制端，单片机中的Ｐ３．５的输出做为锁存器中的锁存信号。锁存器中的Ｑ０用于电阻自动转换开关，Ｑｌ用于电阻校正开关，Ｑ２用于校正电阻／电池切换开关，Ｑ４用于电压报警，Ｑ５用于内阻报警。３．４ＬＥＤ与键盘显示

设计采用ＺＩ』；７２９０的ＬＥＤ和键盘显示控制电路。ＺＬＧ７２９０是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的、具有ＩＩＣ串行接口功能的、可同时驱动８位共阴式数码管（或６４只独立Ｕ∞）的智能显示驱动芯片。该芯片可同时连接多达“键的键盘矩阵。单块芯片即可完成ＬＥＤ显示以及键盘接口的全部功能。

程序在不同的状态对键盘的按键响应处理不同，例如在测量时就不必响应调整设定的按键和校图５内阻测试系统状态转移图

（１）处于空闲状态时，程序可响应按键“设定”，（２）在设定门限状态，连续按２次“确认”键完成（３）进入校准状态后测试仪开始自动校准，完成（４）处于测量状态时，程序只响应“测量”键，不上面以电池内阻测试为出发点介绍了两种测试３．５软件功能描述

准按键。软件的状态转移图可用图５所示。

“校准”，“测量”，分别进入设定门限状态，校准状态，测量状态。在空闲状态，程序要读取电池的电压，但不测量电池电阻。

设定后返回到自由状态，或直接按“取消”键退出当前设定返回到空闲状态；在该状态下按“设定”键由内阻上下限设定切换到电压上下限设定或反之，按“上，下”键由上限设定切换到下限设定或反之。

校准后自动返回到空闲状态。

响应其他按键。当检测到“测量”键按下时，程序返回到空闲状态。

４结束语

方法。第一种是利用噪声信号与被测信号不相关的原理，能有效的降低系统噪声的干扰。（下转第７１页）

第３２卷第５期周祥才等：基于Ｉ．ａｂｌＥ的热敏电阻线性化处理

７１

强大的计算功能，通过校正函数法求得实际的温度温系统中，将采取硬件电路处理与软件算法相结合值。若不考虑Ｒ－Ｖ的转换，由（１）式得：

的方法，即热敏电阻采用并联三点式线性化处理，这ｌｎＲ。＝ｌｎＲ帕洲｛一去）

时的电阻变化率随温度的增大虽下降了，但可通过提高Ｒ－Ｖ转换放大电路的增益Ｋ来提高测温灵敏所以

度，然后再用软件的校正函数法算出实测温度ｔ下一—————旦—一

（，１），这样既实现线性测温，又能保证一定的灵敏一面ｍ．Ｌ／瓦Ｒｔ，、＋瓦１

度。

一

则Ｔ即为冠的校正函数，其中足为采样值冠（厅），３结束语

利用ＬａｂＶＩＥＷ的计算功能进行校正函数法求ｒ为ｔ（ｎ）＋２７３．１５。

考虑Ｒ－Ｖ的转换，实际的采样信号为输出电压解，不仅编程方便，而且会使线性化电路大为简化，但当被测量变化跨度太大时，作适当的硬件线性化‰，则：

处理是必要的，将两者结合起来使用，实际效果比起‰）２再ｉ１蕊。２７３．１５

单一的线性化处理要好得多，但被测量的函数需已知。若被测量是一个未知的函数，则先需通过曲线拟合方法，先求出函数关系曲线。由于ＬａｂＶＩＥＷ的运算功能强大，若采用ＮＩ－６０２４及以上的采集卡，检测系统具有较好的精度和速度，一般不受拟合曲线复杂程度的限制，因此，曲线拟合可采用较复杂的拟合方法，如分段式抛物线拟合等，使拟合曲线更接近于实际被测量值的变化。

参考文献

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大学出版社，２００３．

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图６校正函数计算

［３］王行迅．非线性热敏电阻测温的线性处理［Ｊ］．成都教采用校正函数法能很好地克服了热敏电阻非线育学院学报，２１３０５，１１：７５—７６．

性带来的测温误差，而不需要通过硬件电路来解决［４］陈海滨，田瑞利，周玲．基于ＰＣＩ－６０２４Ｅ的虚拟仪器

热敏电阻的非线性化问题，但由于冠从十几千Ｑ测试系统［Ｊ］．电子技术，２００３，８：６１—６２．

变化到几十Ｑ，转换放大电路的增益Ｋ实际取值很［５］张国雄，金篆芷．测控电路【Ｍ］．北京：机械工业出版

小，这样在温度控制区域内，每度的电压输出只有几社，２０００．

十肛Ｖ，测量灵敏度会大大地下降。因此，在本测

［６］雷振山．ＬａｂＶＩＥＷ７＆硼瞄实用技术教程［Ｍ］．北京：

中国铁道出版社，２００４．

（上接第３８页）

道往往引入噪声，这些噪声对于小信号的测量是不第二种方法则是用两个标准纯电阻在电路中取代电可忽略的。

池，得到一条电阻一电压的线性曲线，根据这条曲线参考文献

测试规定范围内的内阻值。这种测试方法的优点［１］Ｓ．ＤｅＢａｒｄｅｌａｂｅｎ．ＤｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇｔｈｅＥｎｄｏｆＢａｔｔｅｒｙＬｉｆｅ［Ｍ］．Ｉｎ－

是：（１）能有效的避免系统误差的影响；（２）简化了内ｔｅｌｅｃ，Ｔｏｒｏｎｔｏ，Ｃａｎａｄａ，１９８６．

阻的测量无需计算内阻抗和相移角；（３）电路简单，［２］Ｍｉｓｍ，ＮｏｖｅｓｋｅａｎｄＨｏｌｄｅｎ，Ｃ＆ＤＣｈａｒｔｅｒＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ

无特殊器件，实现容易，成本低廉；（４）测试响应时间Ｕｓｅ

ｏｆＡＣＩｍｐｅｄａｎｃｄＣｏｎｄｕｅｔａｎｃｅａｎｄＤＣ：Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｆｏｒ

短，可用于工厂的在线测量；（５）校准是由软件控制Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ

ｔｈｅ

ＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆＶＲＬＡＢａｔｔｅｒｙＳｙｓｔｅｍ［Ｍ］．ＣＥ－

ＲＴ

ＣｏｏｒｄｉｌｍｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ，１９９８．

进行，校准简单方便，保证测试的稳定性和重现性。

［３］ＪｏｈｎｓｏｎＣｏｎｔｒｏｌｓ．ＩｍｐｅｄａｎｃｅａｎｄＣｏｎｄｕｃｔａｎｃｅＴｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．

另外，自动校准技术在大多数的测量系统中都ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＮｏｔｅＦｏｒｍ，１９９４：４１—７２７１．

是很重要的环节。一般的ＡＤ提供的自校准设置只［４］ＡＤｕＣ８４３数据表．模拟器件公司．

是针对ＡＤ通道或者说是只是校准ＡＤ转换器的，而［５］高光天，薛天宇．模数转换器应用技术［Ｍ］．北京：科

测试的一些必要环节，如前向通道，滤波等，这些通

学出版社，１９９９．

万　万方数据

方数据

自动校准技术在锂电池内阻测试中实现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

马超， 田书林， MA Chao， TIAN Shu-lin

电子科技大学自动化工程学院,四川,成都,610054中国测试技术

CHINA MEASUREMENT TECHNOLOGY2006,32(5)

参考文献(5条)

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