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      基于Cortex—M3的電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

      作者: 時間:2016-11-11 來源:網(wǎng)絡 收藏
      電源是電子、電器設備的重要組成部分,而電池則是移動電子產(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。對于移動電子、電器產(chǎn)品,大到工業(yè)設備,如電動汽車、礦山設備,中到家用電動摩托車,小至手機、Ipad等手持設備,無一不與電池設備有關,電池性能對電子、電器設備性能具有舉足輕重的作用。電池的性能指標包括:電池容量、能比、負載特性、壽命等多項參數(shù),而電池性能的評估,一般是通過對電池內(nèi)阻參數(shù)的測量得到,因為電池內(nèi)阻直接影響電池的負載能力,也是間接評估電池性能的依據(jù)。

      目前國內(nèi)外測量電池內(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量方法。上述方法,適用于小容量電池或?qū)嶒炇覝y量,對于大容量或超大容量電池測量,存在測量精度差、發(fā)熱、易損電池等致命問題,是工業(yè)應用中亟待解決的問題,大容量電池性能測量難以通過直流放電法精確測量。

      本文引用地址:http://www.biyoush.com/article/201611/316833.htm

      在實驗室精密測量實驗中,常采用電位差原理測量精密表頭或小容量電池內(nèi)阻。該原理的測量精度,取決于測量儀器精度、測量方法、被測對象內(nèi)阻的大小、測量過程、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,且對測量過程無特殊要求,用電位差原理,可得到很高的測量精度,也不會對電源造成不良影響但該原理不能用于大容量電池的內(nèi)阻測量,原因在于:1)長時間(秒級)大電流放電易損電池;2)線路電阻嚴重影響測量精度。

      根據(jù)上述測量原理存在的問題,綜合開路電壓法和直流放電法原理,設計了基于位差原理和CORTEX—M3微處理器控制的電池內(nèi)阻測試設備,即分別測量電池的空載電壓Ue和負載電壓UL,利用測量參數(shù)Ue、UL和已知負載電阻RL,通過計算間接測量電池內(nèi)阻Ri,其優(yōu)點在于: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)放電和快速測量,無損電池;3)線路電阻與測量結(jié)果無關,測量精度極高。該原理在工業(yè)檢測應用中得到了驗證。

      1 測量原理

      1.1 測量電路

      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證測試的方便,采用標稱3.6 V的大容量鋰電池及分壓電路作為測試電路,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,待測參量;Ri:串聯(lián)等效的電池內(nèi)阻,待測參量;

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

      空載測量支路:包括開關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)選擇應遠大于RL支路,以不影響空載電壓的測量精度。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,滿足上述測量條件。

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

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

      1.3 測量原理

      圖1電路中,兩條支路的工作分別由K1、K2電子開關控制,且不同步??蛰d電壓測量時,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 仿真測試

      利用電路仿真軟件對上述公式進行仿真驗證。仿真測試中:仿真軟件為TINA V8.0工業(yè)版;空載測試支路參數(shù)選擇:(Re1+Re2)>>(Rl1+Rl2);內(nèi)阻Ri:變參數(shù)測試驗證;仿真測試電路:參照圖1。

      2.1 仿真測試電路

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

      2.2 仿真測試驗證

      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)計算不同Ri時的仿真測量值及誤差分析,如表1所示。

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

      3 硬件設計

      實際測試系統(tǒng)的實現(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、高速、高性能12位ADC數(shù)據(jù)采集模塊,并采用分時邏輯控制原理實現(xiàn)空載電壓和負載

      電壓的測試,以消除由于測量過程引起的電池發(fā)熱、損壞等問題。

      測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及原理圖如圖3所示。

      電路圖說明:R1~R3、T1、M1——空載測量控制開關。R4~R6、T2、M2——負載測量控制開關。其他元器件作用及功能同前。

      4 軟件設計

      在實際應用中,僅測量靜態(tài)內(nèi)阻(即單點測量)可以滿足一般的工業(yè)應用要求,但在電池或電源性能研究應用中,則同時要求跟蹤電源特性,即電源內(nèi)阻的動態(tài)性能測量。本

      系統(tǒng)設計具有靜態(tài)內(nèi)阻和動態(tài)內(nèi)阻測量功能。如圖5和圖6所示。

      圖5表示靜態(tài)(單點)數(shù)據(jù)采集流程圖,靜態(tài)(單點)測試邏輯輯是根據(jù)單點數(shù)據(jù)采集而進行的。圖6表示動態(tài)(多點)數(shù)據(jù)采集流程圖,動態(tài)監(jiān)測要求連續(xù)曲線輸出,以實現(xiàn)精密、直觀測量。

      5 測試結(jié)果

      5.1 負載單點測量數(shù)據(jù)

      下表列出了3種低效手機電池、單點、重復(4次)測試的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。

      5.2 動態(tài)內(nèi)阻測試顯示

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

      6 結(jié)束語

      基于電位差原理和Cortext—M3核微處理器控制的電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)的應用,實踐表明:測試原理正確,結(jié)果精確,應用于該項目,完全滿足應用要求,在精密檢測及工業(yè)檢測設備中具有廣闊的應用前景。



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