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文檔簡介
1、基于CortexM3的電池內(nèi)阻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)前言電源是電子、電器設(shè)備的重要組成部分,而電池則是移動(dòng)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(dòng)電子、電器產(chǎn)品,大到工業(yè)設(shè)備,如電動(dòng)汽車、礦山設(shè)備,中到家用電動(dòng)摩托車,小至手機(jī)、Ipad等手持設(shè)備,無一不與電池設(shè)備有關(guān),電池性能對電子、電器設(shè)備性能具有舉足輕重的作用。電池的性能指標(biāo)包括:電池容量、能比、負(fù)載特性、壽命等多項(xiàng)參數(shù),而電池性能的評(píng)估,一般是通過對電池內(nèi)阻參數(shù)的測量得到,因?yàn)殡姵貎?nèi)阻直接影響電池的負(fù)載能力,也是間接評(píng)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、
2、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?yàn)室測量,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(yīng)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。在實(shí)驗(yàn)室精密測量實(shí)驗(yàn)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(huì)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(shí)間(秒級(jí))大電流
3、放電易損電池;2)線路電阻嚴(yán)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(shè)計(jì)了基于位差原理和CORTEXM3微處理器控制的電池內(nèi)阻測試設(shè)備,即分別測量電池的空載電壓Ue和負(fù)載電壓UL,利用測量參數(shù)Ue、UL和已知負(fù)載電阻RL,通過計(jì)算間接測量電池內(nèi)阻Ri,其優(yōu)點(diǎn)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(jí))放電和快速測量,無損電池;3)線路電阻與測量結(jié)果無關(guān),測量精度極高。該原理在工業(yè)檢測應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。1 測量原理1.1 測量電路考慮到CortexM3微處理器(STM32F103)數(shù)據(jù)采集的電平要求及原理驗(yàn)證測試的方便,采用標(biāo)稱3.6
4、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(fù)載測量支路:包括K2開關(guān)和分壓電阻Rl1、Rl2。Rl1和R2組成負(fù)載分壓器,電阻參數(shù)選擇,應(yīng)滿足數(shù)據(jù)采集端口的電平要求和重負(fù)載放電的要求,本支路選擇R1=1 ,R2= 2??蛰d測量支路:包括開關(guān)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(yīng)遠(yuǎn)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 k,R2=2 k,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
5、載和負(fù)載電壓測量端,利用測量數(shù)據(jù),計(jì)算并間接測量電池的空載及負(fù)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(guān),其通態(tài)電阻僅為12 m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(guān)控制,且不同步??蛰d電壓測量時(shí),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?yán)秒娐贩抡孳浖ι鲜龉竭M(jìn)行仿真驗(yàn)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(yàn)證;仿真測試電路:參照圖1。2.1 仿真測
6、試電路分別接通和斷開圖1電路中的K1和K2測試開關(guān),則空載電壓和負(fù)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(fù)載仿真測試圖。2.2 仿真測試驗(yàn)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(jì)算不同Ri時(shí)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(yàn)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(shè)計(jì)實(shí)際測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是基于CortexM3架構(gòu)的32位微處理器,利用片上內(nèi)置的自校準(zhǔn)、高速、高性能12位ADC數(shù)據(jù)采集模塊,并采用分時(shí)邏輯控制原理實(shí)現(xiàn)空載電壓和負(fù)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
7、試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及原理圖如圖3所示。電路圖說明:R1R3、T1、M1空載測量控制開關(guān)。R4R6、T2、M2負(fù)載測量控制開關(guān)。其他元器件作用及功能同前。4 軟件設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中,僅測量靜態(tài)內(nèi)阻(即單點(diǎn)測量)可以滿足一般的工業(yè)應(yīng)用要求,但在電池或電源性能研究應(yīng)用中,則同時(shí)要求跟蹤電源特性,即電源內(nèi)阻的動(dòng)態(tài)性能測量。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有靜態(tài)內(nèi)阻和動(dòng)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(diǎn))數(shù)據(jù)采集流程圖,靜態(tài)(單點(diǎn))測試邏輯輯是根據(jù)單點(diǎn)數(shù)據(jù)采集而進(jìn)行的。圖6表示動(dòng)態(tài)(多點(diǎn))數(shù)據(jù)采集流程圖,動(dòng)態(tài)監(jiān)測要求連續(xù)曲線輸出,以實(shí)現(xiàn)精密、直觀測量。5 測試結(jié)果5.1 負(fù)載單點(diǎn)測量數(shù)據(jù)下表列出了3種低效手機(jī)電池、單點(diǎn)、重復(fù)(4次)測試的內(nèi)阻數(shù)據(jù)。5.2 動(dòng)態(tài)內(nèi)阻測試顯示電池在連續(xù)重負(fù)載條件下電池電壓、電流及內(nèi)阻變化曲線可以實(shí)時(shí)顯示其充電電流、電壓、溫度等,顯示效果較好,使用者可以實(shí)時(shí)
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