電池內阻測試儀

 電池內阻測試儀

BDC-60/BDC-61通用型是本公司重點(diǎn)推出的針對電池行業(yè)精確電池內阻電壓測試的高速測試設備。
60內阻最小分辨率0.001mΩ，電壓最大量程60V，測試速度20mS。結合更經(jīng)濟的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢，廣泛用于實(shí)驗室、產(chǎn)線(xiàn)和自動(dòng)化設備配套。

電池內阻測試儀特 性 (FEATURES) 
電阻測試精度0.3%，電壓測試精度0.05%（僅60）；測試速度最快50次/秒
內置比較器功能，30組分選條件保存
豐富的接口配置，標配RS232和HANDLER接口
自動(dòng)化測量，準確快速的判斷，適用于流水線(xiàn)上的產(chǎn)品分選和出廠(chǎng)檢驗
應 用 (APPLICATION) 
高精度鋰電池內阻，電壓檢測
配套自動(dòng)測試設備完成電池內阻+電壓的自動(dòng)檢測
電池的劣化狀態(tài)和壽命評估
超級電容的ESR測試
規格(SPECIFICATION) 
型 號 60 61
顯 示 4色 VFD 顯示
比較器 30組記錄，檔計數
觸發(fā)器 內部觸發(fā)，手動(dòng)觸發(fā)，外部觸發(fā)，總線(xiàn)觸發(fā)
接口 RS-232、RS-485接口 、Handler接口（CHT3561選配）
電源 電壓:190VAC ～ 256VAC; 頻率: 47Hz ～ 63Hz；額定功率：15VA
其他 測試引線(xiàn)損壞檢測功能, 鍵盤(pán)鎖定和數據保存功能，REl 功能
尺寸 385mm(L)x249mm(W)x102mm(D); 重量: 3.5kg
附件 、電源線(xiàn)
蓄電池內阻測量的電池管理系統的設計
測量原理，由于大容量動(dòng)力蓄電池的內阻一般小于50mΩ，因此普通測量方法難以保證精度要求。
工程上比較常用的兩種測量方法直流放電法和交流注入法。直流放電法也稱(chēng)為脈沖放電法，該方法首先測量電池的開(kāi)路電壓。
然后進(jìn)行大電流放電，一般放電倍率約為0.8，放電時(shí)間為2s左右，此時(shí)測量電池端電壓和流過(guò)負載的電流。
通過(guò)歐姆定律即可求出此時(shí)的極化內阻和極化電容，理論上測量精度較高，由于大電流放電，因而不適合在線(xiàn)測量；
另外直流放電法受電壓、電流傳感器精度的影響，因此需要精度高、價(jià)格貴的傳感器。電池管理系統集成了電壓檢測和電流檢測裝置。
可粗略估算內阻值，但如要獲得較高的測量精度，需要進(jìn)行脫機大電流放電測量，對電池有一定的損害；
放電時(shí)間限制導致檢測時(shí)間長(cháng)，因此限制了該方法在蓄電池檢測系統中的普遍應用。交流注入法即將低頻交流的恒流小信號注入到電池。
然后測量電池兩端的響應電壓，利用鎖相放大器進(jìn)行信號處理，進(jìn)而可求得電池的內阻值，整個(gè)電路系統屬于小信號處理電路。
容易引入干擾，為提高測量精度，需采用四端子測量方法。信號頻率一般選擇1KHz，主要原因是鎖相放大器此頻率下性能表現較佳。
另外與噪聲信號頻率相差較大，容易提取低頻信號，濾波誤差小。選擇較小的信號幅值，以便忽略測量小信號對電池狀態(tài)的影響。
實(shí)現在線(xiàn)測量，蓄電池若在大電流狀態(tài)下，則測量值為歐姆內阻與極化內阻之和，交流注入法能測量大部分蓄電池，應用廣泛。
綜合考慮項目要求，本文采用交流注入法測量電池內阻。測量原理框圖如圖1所示。測量系統的電路主要由信號發(fā)生電路產(chǎn)生所需頻率的電壓信號。
通過(guò)V/I變換電路實(shí)現恒流；注入采樣電阻和蓄電池，放大采樣信號和測量信號；然后兩路信號輸入到鎖相放大器AD630。
對信號進(jìn)行檢波處理，再通過(guò)低通濾波器實(shí)現濾波，信號變?yōu)橹绷?，同時(shí)濾除高頻噪聲信號，使信號平滑；
最后通過(guò)STM32的A/D轉換電路和控制電路，實(shí)現測量數據的處理和傳輸，采用抗干擾能力較強的RS485總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸。

設參考電阻上的電壓信號為……（1），電池兩端的電壓信號為：……（2）。
其中：為蓄電池內部極化電容產(chǎn)生的相位差。參考信號和測量信號通過(guò)鎖相放大器后，噪聲信號與測量信號獨立不相關(guān)。
噪聲被濾除，則處理后信號為……（3）其中：G為差分放大器增益。
然后信號通過(guò)低通濾波器，2倍頻信號被衰減濾除，只剩下直流信號：……（4），其中：K為濾波電路增益。
電池內阻的計算公式為：……（5），其中：I為交流恒流源最大值，測量系統取值為50mA。
把式（4）代入式（5），即可得到電池內阻為……（6），其中：K、A、I、U、G均為已知的數值。
通過(guò)式（6）可求出此時(shí)電池內阻值，電源回路，依據項目要求，測量系統的電源由被測電池提供。
為阻礙測量的交流小信號進(jìn)入直流供電回路，在電路中LC濾波器，濾波器截止頻率盡量低，使交流阻抗足夠大。
分流盡量小，為防止DC-DC模塊工作不穩定，選擇大容量鋁電解電容，等效串聯(lián)電阻也要稍大。
測量電路設計為提高測量精度，信號放大器需采用共模抑制比較高的儀器放大器，鎖相放大器是本測量系統的核心部分。
主要由相敏檢測單元和低通濾波器構成，為提高測量精度，相敏檢測單元需要高精度運算處理芯片并且具有較高的開(kāi)關(guān)速度和靈敏度。
交流信號發(fā)生器，前面分析可知，交流信號頻率設定在1KHz，信號發(fā)生器選擇性能較為優(yōu)良的ICL8038。
頻率調節范圍為0.001Hz~300kHz，頻率可調節范圍寬，輸出的正弦波失真度小于1%。而且外圍電路較為簡(jiǎn)單。
性能上能滿(mǎn)足測量系統的要求，實(shí)現電路原理如圖2所示，通過(guò)調節Rw2和Rw1可以實(shí)現頻率的調定，最終調定頻率在1KHz。
調節引腳1和引腳12使用正弦波失真度減小到0.5%，也可小范圍內調節電壓信號幅值。振蕩電容C選擇為3300pF。
V/I變換電路，為了實(shí)現信號穩定性，在信號發(fā)生器信號輸出之后通過(guò)一個(gè)信號跟隨器，提高信號的輸出穩定性。
減小信號失真度，V/I電路采用比較常見(jiàn)的運算放大器拓撲實(shí)現，功率放大器選用OPA544T輸出電流能力滿(mǎn)足系統50mA的要求。
使用時(shí)需在電源處并聯(lián)去耦電容，使供電回路穩定，兩個(gè)跟隨器采用高精度，低溫漂、低偏移運放OP07。
為了消除電池直流電壓對本級電路的影響，測量中需要通過(guò)大電容實(shí)現交流耦合，隔離直流信號，但信號頻率較低。
為保證信號不失真，應選擇合適的耦合電容C參數，V/I變換電路如圖3所示由于運放引入負反饋。
因此工作在線(xiàn)性區，其中R1=R2=R3=R4。根據“虛短虛斷"原則可知：……（7）；……（8）。
……（9），將式（8）代入式（9）可得：……（10）；……（11）。
調節電阻Ro就可以使電流恒定在50mA，信號放大電路，對采樣電阻和電池的交流電壓信號分別進(jìn)行放大。
提高增益，便于鎖相器處理，芯片采用精密儀器放大器INA111，該器件為高精度、低溫漂、低偏置電流場(chǎng)效應運算放大器。
可調高增益達1000倍以上，共模抑制比最小為106dB，是小信號處理性能較為優(yōu)秀的儀器放大器。
使用中注意電源需按上去耦電容，使信號輸出更穩定。實(shí)現電路如圖4所示，放大倍數為：，由圖4可知。
本電路是一個(gè)高通濾波器，為了抑制共模信號，電路中C1=C2，R1=R2，采用高通濾波電路主要是為了隔離蓄電池直流電壓對電路的影響。
鎖相放大器電路，本部分電路為測量系統核心部分，采用高精度、高靈敏度的模擬器件AD630。這是一款高精度的平衡調制器。
內部電阻均是高穩定薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩定性；具有高靈敏度的比較器，切換速度較高。
可使開(kāi)關(guān)失真降至，通道A和B之間隔離度超過(guò)100dB，AD630主要用于鎖相放大器，相敏檢測電路。
同步檢測、平衡解調和調制等電路，其最佳工作頻率為1KHz。放大電路如圖5所示，由AD630的原理可知。
參考信號經(jīng)過(guò)比較器后轉變?yōu)橥l率的方波信號，展開(kāi)為傅里葉級數：……（12）。
把式（12）代入式（3），最后得到直流信號為：……（13）同理，最后得到內阻值：……（14）。
濾波電路采用二階有源濾波器，截止頻率設計盡量低，使2倍頻及高頻干擾信號基本衰減到0，電路采用壓控電壓源濾波器。
需注意電壓放大倍數不能大于3，否則容易電路自激振蕩，出現不穩定。如果C1=C2，R1=R2=R3=R4，可知濾波器的通帶截止頻率為。
由此可以一份合同出所需的電阻和電容，A/D轉換電路，STM32單片機集成了A/D轉換電路，具有12位精度。
為了獲得較高精度，高穩定性轉換結果，參考電壓由外部高精度基準電壓芯片MA6701提供。本部分電路需要注意在信號進(jìn)入ADC轉換通道之前。
需進(jìn)行過(guò)壓保護處理，主要原因是測量端開(kāi)路會(huì )造成運算放大器飽和，導致輸出電壓高達10V，供電電源選擇12V。
容易擊穿芯片，造成電路的損害。本設計采用了兩個(gè)快恢復肖特基二極管串聯(lián)，鉗制輸入信號。
防止燒壞STM32，實(shí)現電路如圖6所示。其中（R1+R2）、C構成一階濾波器，同時(shí)電容C起到一定的電壓緩沖作用。
增強電路的安全性，時(shí)間常數選擇需適中，過(guò)大則影響測量響應時(shí)間。實(shí)驗結果討論數據處理，在實(shí)際測量中，為了消除導線(xiàn)電阻引入誤差。
采用兩個(gè)精密電阻代替電池，分別測得ADC電壓值為UR1、UR2，則可以通過(guò)比值消除其他參數測量結果的影響。
實(shí)驗測試發(fā)現，當替代電阻與電池電阻值接近時(shí)，誤差較小，本系統采用10mΩ和20mΩ的精密電阻。
誤差均為1%，實(shí)驗數據測量電池為某品牌12V/12AH鉛酸蓄電池，61內阻測量?jì)x的測量值。分別測量了3節蓄電池所得結果如表1所列。
表 1 蓄電池內阻測量結果
蓄電池編號 61/mΩ 測量系統/mΩ 誤差
第1節 34.221 34.77 1.6%
第2節 34.656 35.04 1.1%
第3節 34.445 34.89 1.2%
測量誤差主要受ADC轉換精度、導線(xiàn)寄生參數、運算放大器的漂移、電源穩定性等影響。改進(jìn)方法主要有：采用高精度獨立ADC轉換芯片。
接線(xiàn)盡量短，電源完整性設計也需要注意；電阻應選擇溫漂低、穩定性?xún)?yōu)良的儀器電阻；但是也需顧及成本要求。