基于AVR单片机蓄电池内阻检测仪的改进与设计

2013-07-25张利国窦满峰

电源技术 2013年5期

张利国，窦满峰，高静，陈刚

（1.西北工业大学，陕西西安 710129；2.东北石油大学，河北秦皇岛 066004；3.中国石油测井有限公司技术中心，陕西西安 710077）

随着应急电源普遍应用，其重要维护对象蓄电池成为人们研究的目标，与蓄电池容量密切相关的内阻检测视为主要研究内容，虽然内阻检测不能直接体现电池的剩余容量，但却能体现其性能的劣化程度[1]。蓄电池内阻检测集中在以下几个方面：（1）不同应用场合方法的选取[1]；（2）方法的改进，文献[2]中提到将直流放电法进行改进，提出了二次放电法，鉴相法[3]处理交流注入法中的相位差；（3）检测精度的提高，文献[4]提到DDS技术应用蓄电池内阻检测精度。

本文吸取以往的研究经验，针对消防应急电源和民用蓄电池内阻检测（电动车）应用，从便携式角度出发，采用交流注入法，优化了内阻检测仪的硬件设计方案，改进了相位差检测方法，将硬件滤波与软件滤波技术充分的利用于设计中，充分保障了仪表的精准度。

1 内阻检测方案

1.1 内阻检测原理

图1 内阻检测原理图

1.2 内阻检测方案优化

内阻采集方案主要包括信号源、信号采集和信号处理。采用交流注入法均涉及到信号源模块的设计，本方案信号源采用工频50 Hz交流电，经降压滤波直接得到，省去了以往信号源的设计和需要解决的功率放大问题；处理器采用8位高档AVR单片机ATmega64L，其具有内部IO的ADC，可省去外部A/D硬件电路设计。因此硬件电路设计得到了大大的优化。

1.3 数字移相技术和锁相环技术应用

对于蓄电池上电压和电流之间的相位差θ的测量是内阻测量的一个关键，本文通过数字移相技术的理论[5]，提出了一种新的测量相位差θ的方法，原理框图如图2所示。

图2 相位差θ检测原理

工作原理是：作为参考信号的ua经整形后得到方波信号uA，再利用锁相技术对uA作3 600倍频，并将此倍频信号作为单片机中的计数脉冲，以此来产生测量移相的实际值。由于计数脉冲是通过锁相环产生的，在锁相环允许的频率范围内，计数脉冲始终是uA信号的3 600倍，因此，可以看成是将uA信号的一个信号周期分为了3 600份，且允许uA的频率可在一个小的范围内波动。若一个信号周期为360°，那么在一个信号周期内每个计数脉冲即代表0.1°。可记录uA和uB两个信号的上沿（或下沿）间的脉冲个数来获得两信号的相位差θ，单片机可通过两个外部中断来实现。

1.4 软硬件滤波技术

为提高仪表的测量精度和较好的鲁棒性，设计在采用硬件滤波的同时，也采用了软件数字化滤波。为避免采样数值波动引起显示跳动而产生的误差，应用数字惯性滤波法[6]抑制采样数值的波动，即采用AVR单片机软件来模拟阻容低通滤波电路，以消除抖动及高次谐波分量的影响，实现数值稳定。

2 仪表硬件设计整体方案

内阻检测仪主要是在提高内阻测量精度的基础上，采用8位高档AVR单片ATmega64L作为MCU，内阻仪可实现交流信号的检测、信号相位差测量、A/D转换、数据分析、内阻显示和485通信等功能。具体实现框图如图3所示。

3 软件设计

3.1 主程序设计

软件设计采用通用性较强的C语言完成，程序结构清晰，功能实现模块化设计，内容涉及全面，无死机现象。程序流程图如图4所示。主程序完成初始化后判断是否有键按下，如有键按下就进行按键功能处理，处理后转回原结点继续向下进行，完成A/D转换、相位检测和数据分析，最后送液晶显示。

图3 整体方案框图

图4 主程序通信中断程序流程图

3.2 485通信程序设计

另外硬件设计了485通信接口，数据可以进行实时远传。485通信采用工业通用的Modbus-RTU通信协议，数据可上传具有此协议的工控软件，通信程序采用中断方式处理，主要包括中断入口判断、功能判断、组织应答和发送应答。

4 实验结果

内阻检测仪用军品级千分之一精度电阻进行调试，调试结果表明此内阻检测仪的精度可控制在3%以内。内阻测量实验采用蓄电池为圣阳SSP12-7（12 V 7.0 Ah），其参考内阻为25.0mΩ。实验条件是将电池1 A充电充满，再用1 A进行放电，放电4 h，测试放电前内阻、放电后内阻及结束电压，得到如表1所示的实验数据。

从实验数据，能够得到如下结论：

（1）对于不同块电池不同次数的测量，电池充满电的初始状态蓄电池的一致性较好；