车载锂电池组内阻测试模块的设计与实现

2014-05-11赵新宽

通信电源技术 2014年3期

赵新宽，董威

(珠海城市职业技术学院，广东珠海519090)

1 电池内阻测试方法

电池的内阻是电池最为重要的参数之一，它是表征电池寿命以及电池运行状态的重要参数，是衡量电子和离子在电极内传输难易程度的主要标志［1］。内阻不仅反映电池当前的荷电状态，而且还反映电池的劣化程度，其变化反映电池的性能和寿命［1，2］。所以，通过检测蓄电池内阻，能够对电池性能及容量进行评估，进而了解EV的动力性能［4］。

电池内阻是指电流通过电池时所受到的阻力，包括欧姆内阻与极化内阻。欧姆内阻由电极材料、电解液、隔膜的电阻及各部分零件的接触电阻组成;极化电阻是指正极与负极在进行电化学反应时极化所引起的内阻，是电化学极化和浓差极化所引起的电阻之和。由于锂电池具有高度的非线性特性，为了准确测试内阻，需要采用准确、适合工程化应用的模型，文献［1］给出了简化的锂电池阻抗模型。如图1所示，模型中用理想电压源Uoc描述电池的开路电压，体现为电池内部的直流偏置;内阻R0为电池欧姆内阻，电容Cp与电阻Rp并联描述电池的极化环节，蓄电池的输出电压为U。

目前测试电池内阻的方法有交流电导法、锁相放大法、EIS(多频率电化学阻抗分析)法、直流放电法和直流脉冲法等［5，6］。直流法精度很高，误差可以控制在0.1%以内，但该方法需要大电流，能耗大、成组使用设备复杂，不适合使用在车载电池组的内阻测试当中;交流电导法未考虑移相角，欧姆内阻测试不准确;EIS法适用于进行阻抗谱分析，取得的大量数据没有太大工程使用意义。由于蓄电池内阻一般为毫欧级，与测试线路的电阻在同一级别，所以滤除噪声和提取有用信号非常重要。锁相放大法电池注入的电流信号频率已知，通过锁相放大电路可以很好地解决这个问题。由于只需要测量阻抗实部，即电阻部分，电池通过的交流信号甚至不必要为正弦信号，而代之以脉冲电流信号，通过低通滤波提取基波或某一特定频率的电压电流信号，从而测试内阻。文献［3］给出了脉冲控制法测试电阻的思路，通过光耦进行脉冲控制，电池自身提供测试电流，不需额外的激励电源。

图1 锂电池阻抗模型

2 模块总体设计及工作原理

本模块结合交流注入法和脉冲控制法的思路，设计出PWM恒流源，得到周期方波信号，滤波后给电池组激励。模块设计原理如下:恒流源经过PWM后得到周期方波电流为:

展开成傅里叶级数形式

计算系数得

故该方波信号在区间(0，T)内，可认为注入到电池的激励源信号为:

则由上述周期方波电流对电池进行激励，其响应经过带通滤波处理，保留频率ω1部分，实际效果与i(t)=Issinωt对电池进行激励的响应效果基本一致。由此可以判断周期方波电流激励信号可以代替i(t)=Issinωt。考虑到电池的容抗影响，做出如下分析:

注入到电池的激励源信号:

式中，I为幅值;ω1为角频率;Φi为初相角。

电池电压响应信号为:

式中，U为幅值;ω1为角频率;Φu为初相角。

则电池的复阻抗为:

r为电池的内阻，也可写为如下形式:

如此一来，通过输入电流与电压相应的有效值测量和相位比较，就可以测出电池内阻。本模块的设计结构如图2所示。

模块对本单元内的12个电池单体进行扫描式内阻测试。为减小测量导线造成的误差，将信号注入回路与信号测量回路的连接线分开(分别由两组开关控制)。PWM调制电源同时给待测电池及参考电阻提供交流电流，电池与参考电阻两端的交流电压信号经过差分放大和带通滤波后送入锁相放大器，然后将锁相放大后得到的有效电压信号送入单片机。模块内置了2个基准电阻(Rf1、Rf2)，能够结合软件处理进行自动内阻校准。校准的基本思想是在保证电路的线性要求下，得到理想的测试曲线为U-Z平面上的一条通过原点的、斜率恒定的直线。通过两点确定一条直线，求出斜率和偏差并保存。在测量过程中只需要测出电压U，就能根据校准曲线直接计算电池内阻。设计时，我们只需要在检测、调理通道保证测试的电压在动态范围内即可，而不需要考虑通道的误差，这就是内阻的校准原理。在电路设计中根据实际结果再选择校准的方式。本设计要求内阻测试仪的内阻测试精度达到0.2%，因此要求这2个基准电阻的阻值允许偏差小于0.2%，温度系数小于80 ppm/℃。为了尽量减少焊接、引脚等因素引入新的误差，基准电阻采用四引线的低阻值线绕精密电阻。

图2 内阻测试模块系统示意图

3 硬件方案设计

3.1 选通电路的设计

采用Lattice公司的iM4A5 CPLD，使用VHDL语言设计。由于CPLD的I/O口丰富，集成度高，抗干扰性能强，这样既避免了过多的单体电池的选通线间干扰，又节约了单片机I/O口，有利于系统其它功能的扩展和升级［7］。虚拟设计一片 74HC139和 4片74HC138，其中P1.0、P1.1接74HC139 的 A、B 端，它的Y0、Y1、Y2、Y3 分别接三片 74HC138 的 G2A，主要用于分别选通 74HC138芯片，其余引脚使能。P1.2、P1.3、P1.4分别接 74HC138 的 A、B、C 端用于选通每一节电池。74HC138刚好选通 B1、B2……B11、B12(即12节电池)接入电池电压测量端，R1、R2……R11、R12(即12节电池通道)接入内阻激励交流信号。另外一片74HC138的输出Rf1、Rf2分别接两个高精度基准电阻 R1和 R2，BU、BI选通电池组电压、电流，Un、Up 选通绝缘监测电压通道(多余的通道备用)。P1.5接CPLD的CLK0，用于给适当的时钟选通电池或高精度基准电阻。测试内阻时，单片机输出的PWM信号每0.5 ms调制一次恒流源，给电池组一次激励，此时，单片机给CPLD时钟，CPLD收到第一个时钟后，其内部设计的电池选通程序开始把高精度纯电阻R1切入闭合回路，CPLD收到第二个时钟后把高精度纯电阻R2切入闭合回路，收到第三个时钟后把第一节电池切入闭合回路。依次类推选通12节电池，该部分原理图见图3所示。

图3 iM4A5 CPLD选通电路原理图

3.2 PWM调制恒流源设计

激励电流源是电路设计的难点，常规设计是由低频交流恒流源产生i(t)=Issinωt信号，再通过V/I转换器转换为交流恒流来激励电池组。但是从硬件的设计角度看，很难设计出交流恒流激励源。本系统采用周期方波激励后，进行带通滤波，可达到同样效果，系统稳定并且降低了设计难度。根据锂离子电池的特点设计的恒流源电路应为1 kHz、50 mA，该方法设计频率稳定、易实现且设计电路的成本降低。本模块采用ICL高精度波形发生器和耦合驱动功率放大器为核心元件，所设计的PWM恒流源电路如图4所示。

3.3 交流弱信号隔直与锁相放大电路

电池输出电压的表达式为Uo=U+Ui，其中Uo为电池的输出电压，它包括一个电池的开路直流电压U和激励信号的输出交流电压Ui。然后，电压信号通过一对电解电容组成的无极性电容，输出的电压信号就只剩下激励信号的输出交流电压Ui，达到了隔离直流电压的目的。同时，由于得到的Ui信号太微弱，为了防止电容的容抗造成分压，所选择的电解电容越大越好。但是，输出回路的电阻R3为放大器的输入电阻，一般非常大，使输出的电流i非常的小，基本上可以忽略影响，所以电容的容值取到适当值就可以了，在这里选择的电容为100 μF/50 V的电解电容。设计的微弱电压信号提取电路如图5所示。

图4 PWM恒流源电路

图5 微弱电压提取电路

图6 差分放大电路

图7 带通滤波电路

交流电压经过图6的差分放大电路放大后，再进行带通滤波(图7)，该带通滤波电路的参数选择按0.95 kHz～1.05 kHz频率范围确定，然后进入锁相放大电路。锁相放大器不仅有选频放大功能，而且还有捕捉相位的功能，即“锁定”被测信号的相位与频率。因此噪声信号中只有与被测信号同频同相的部分才能混进来，噪声混入的机率大大减少;而且锁相放大器的等效噪声带的宽度正比于选频放大宽度，使噪声受到锁相放大器强有力地抑制。利用锁相放大器可以分离提取比噪声信号小101～106倍的极微弱光电信号。

利用ATMEL公司的调制解调芯片AD630进行锁相放大，它的原理在文献［8］、［9］中有详细的描述。AD630的输出包括两大部分，一部分是和频分量，另外一部分是差频分量，通过低通滤波滤除倍频分量，输出只含直流分量的部分，根据公式(8)可以推算出电池的欧姆内阻，而不是以阻抗模值代替内阻。具体计算公式如下: