基于AD630實現蓄電池內阻在線測量

摘要：針對目前蓄電池內阻在線測量存在的不足，設計實現了一套實用的蓄電池內阻在線測量系統。該系統運用四引線連接法，將一定頻率的交流信號注入電池，再將電池兩端產生的微弱信號通過前置放大濾波，送入AD630進行相關檢測，有效地抑制了噪聲和干擾，簡化了設計，實現了蓄電池內阻的在線測量。實驗結果表明，該系統可有效地應用于蓄電池內阻的在線測量，且測量結果穩定可靠。
關鍵詞：蓄電池內阻；交流注入；AD630；相關檢測

0 引言
蓄電池內阻是體現電池性能的重要參數之一，通過研究發現，蓄電池容量和健康狀態與內阻有著密切的關系，因此通過內阻的變化，實現對蓄電池的在線監測是目前公認的蓄電池維護的最佳方案之一。蓄電池的內阻一般都很小，只有幾十毫歐甚至幾毫歐，用直流放電法測量內阻速度慢，且不能實現在線測量，用交流注入法測量的信號很微弱，被充電器以及環境中的噪聲所淹沒，因此如何有效地抑制噪聲也就成了蓄電池內阻在線測量的關鍵技術。運用鎖相放大器可以實現電池內阻在線測量，但是，鎖相放大器價格昂貴，使用復雜，用來測量蓄電池內阻，計算過程比較繁瑣，一般很難掌握。本文利用AD630實現了鎖相放大，設計、開發了一套電池內阻在線測量系統，并在國家級物理實驗
教學示范中心建設經費的支持下，完成了該課題，投入到近代物理實驗教學中。通過運行，充分說明該系統測量精度高、速度快、抗干擾能力強，實現了電池內阻的在線測量，達到了設計要求，市場應用前景廣闊。

1 測量原理
實現電池內阻在線測量的基本原理如圖1所示。當信號源給電池注入一個交流電流信號時，測量出在電池兩端產生的交流電壓信號和輸入電流，就可計算出電池的內阻：

式中：Vrms為電池兩端交流電壓信號的有效值；Irms為輸入電池中交流電流信號的有效值。
采用交流法測量電池內阻，不需要對電池進行放電，從理論上講電池在任何狀態下都能對其實施測量。在實際測量中，由于電池的內阻在微歐或毫歐級，注入一定的電流后，在電池兩端產生的電壓信號非常微弱，往往被噪聲淹沒，放大后再測量，用交流電壓表很難區分出來有用的信號，需要用相關檢測的原理，才能測量出電池兩端的交流電壓信號。
運用相關器檢測微弱信號的原理如圖1中相關檢測部分所示，它由開關式乘法器和積分器組成，蓄電池兩端檢測到的微弱信號經過前置放大濾波后輸入到乘法器信號輸入端，注入蓄電池的正弦波信號通過電路變換形成方波信號后，輸入到乘法器參考信號端。若電池兩端的有用信號為Vs(t)，混入的噪聲為n1(t)，則輸入端的混合信號為f1(t)=Vs(t)+n1(t)；參考端的有用信號為Vr(t-τ)；當混入的噪聲為n2(t-τ)，則參考端的混合信號為f2(t-τ)=Vr(t-τ)+n2(t-τ)。

根據相關檢測的原理，通過乘法器相乘運算，信號和噪聲、噪聲和噪聲之間是互相獨立的，它們的相關函數為零，只有信號和信號相關，且可從噪聲中檢出。具體可表示為：

當蓄電池兩端檢測到的正弦信號為Vs(t)，方波參考信號為Vr(t-τ)：

因為電池兩端的信號頻率和參考信號基波頻率相同，即ωr=ωs，積分器的輸出為：

式中：K只與積分器的傳輸系數有關；ψ為檢測信號與參考信號相位差。
如果調整ψ=0，則輸出直流信號達到最大值，充分說明，通過乘法器和積分器以后，抑制了噪聲。在輸入信號和電路傳輸系數一定的情況下，輸出信號的大小只與電池的內阻成比例，只要測出蓄電池兩端交流電壓值和通過蓄電池的交流電流值，就能計算出蓄電池的內阻，實現在線測量。