基于交流测量法的便携式电池内阻测试仪的研制
2008年07月23日 作者：李革臣 李金录 古艳磊 来源：《中国电源博览》第90期 编辑：李远芳
摘要：电池的内阻是评价电池性能的一个重要的参考性指标。本文分析和比较了电池内阻两种检测 方法的原理和特点，采用交流注入法测量电池内阻，并阐述了其测量原理。使用超低功耗微处理器MSP430，设计了一种实用的便携式内阻测试仪，详细分析了 低功耗系统的软硬件设计。测试结果表明，该仪器的功耗达到了实用性，精度较好地满足了电池的内阻测试要求。
关键词：MSP430单片机；便携式；内阻测试；低功耗
Abstract: The battery internal resistance is an important reference parameter to evaluate the health of battery. Two kinds of detect theories about the internal resistance of the battery are analyzed and the features of these two kinds of detect methods are compared. The method of AC exchange injection is used to measure the resistance of battery and the principle of measurement is explained. MSP430F449 ultra-low-power microprocessor is used to design the practical portable resistance testing equipment, and the low-power system design of hardware and software is analyzed. The results show that the instrument is appropriate for testing the internal impedance of Ni-MH and Li-ion battery. Key words: MSP430; portable; resistance testing; low-power
电池的内阻是电池的重要参数，它不仅反映电池当前的荷电状态(SOC)，而且反映电池的劣化程度(SOH)。目前电池的内阻检测是采用电化学交流阻抗 法，其叠加的交流信号频率范围为1kHz 。传统的电池内阻测试一般都是用交流电供电，设备笨重不易携带，无法满足一些特殊场合的应用。本文设计了一种基于 超低功耗MSP430单片机的低功耗的便携式内阻测试仪，满足了工程实际应用的需要。
1 设计原理的选择
测量电池的内阻，应用的最广泛的两种方法是直流放电法和交流注入法。 直流放电法是由电池组产生一个瞬间负载电流，然后测出电极柱上电压的瞬间负载电流，然后测出电池在接通了负载后几秒钟内电池端电压和流过电池电流发生的变化。通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可以推导出电池的直流内阻。
交流注入法是用一个交流源注入几十毫安的电流到电池内部，然后测出电池极柱上的响应，通过欧姆定律计算得到电池阻抗[1]。
从上面两种方法的介绍可以知道，直流放电法需要在瞬间让电池放出几十安培的电流，因此需要较大的负载，瞬间发热十分可观，不易设计成便携式仪表；而交流 注入法无需放电负载，电流小，容易做到体积小、省电、便携。交流注入法的主要缺点是在注入电流较小的情况下，响应会十分微弱，容易被噪声干扰。但应用放大 器和有源滤波器完全可以准确测得电池两端的响应。经过综合考虑，本文选择用交流注入法来实现电池内阻测试。
2 测量原理
图1. 硬件结构框图
电池内阻测试仪的结构如图1所示，当施加给电池的激励源信号为正弦交流信号i(t)时，设
其中： 为幅值, 为角频率， 为初相角。
电池电压的响应信号为：
其中：U 为响应振幅，ω为角频率，φu 为初相角，N(t)为噪声信号。 参考信号为电流经限流电阻 分压所得，其值为：
两者的相关函数为：
由于噪声信号 和参考信号 互不相关，则 ，则有
则电池的内阻为：
在实际应用中, 相关函数运算由锁相放大器实现。测量时, 通过使用标准电阻
替代电池（激励源电流值，频率保持不变）进行同样的测试，可以求出待定系数 ：
所以电池的内阻 为：
其中： 为已知阻值的标准电阻。
都可通过AD 转换器得到。综上所述，电池的内阻是可测量的。
3 硬件结构设计：
由图1可知激励源提供注入电池的交变微弱电流信号，交流差分电路起到隔离直流分量作用，并把电池的响应信号 适当放大。锁相放大电路是系统的核心之一，它的主要作用是从噪声干扰中提取有用的微弱信号，即电池的响应信号。MSP430单片机负责采样、数据处理、电 源管理及液晶显示值输出。MSP430单片机，拥有60K Flash 、采样速度为200K 的12bit 模数转换器和48个I/O口，完全满足了系统设计高精度和低功耗的要求[2-4]。
通过上述硬件结构实现了精确的内阻测量和系统的低功耗设计。
图2. 激励源原理图
图3. AD630芯片原理图
图4 主程序流程图
3.1激励源模块
激励源在实际应用中为一个方波信号，由一个高精度、低功耗的可控基准源REF192和一个电压跟随器组成，电流值的大小为I=Vout/R，电路中REF192为高精度、低功耗、低温漂的基准源[5]，通过控制REF192的引脚的电平高低，使交流信号为方波信号，激励源原理图如图2所示。
3.2 锁相放大模块
在实际的电路中，我们使用了AD 公司的AD630实现锁相放大功能。原理图如图3所示。
响应信号为电池注入交变电流后的响应信号，接入AD630的RINA 引脚。参考信号为激励源通过电阻的分压形成的电压信号，此信号与交流电流信号源的同 频同相，将此信号接入AD630的SELB 脚，通过AD630的处理，我们可以在AD630的VOUT 引脚得到输出信号。
4 软件设计
在软件设计过程中充分考虑到了功耗问题。为了充分利用CPU 低功耗性能，使单片机工作在突发状态，系统通过定时器1产生的0.5S 的中断将CPU 从休眠状态中唤醒，完成相应的工作之后又进入休眠状态。
表1 D型镍氢电池的内阻测试结果
图5 低功耗测量系统工作电流
主程序流程图如图4所示，其中ADC12MEMN0 > 100 表示有被测量电池接入回路中。从软件流程图可以看出，在测量电池内阻的过程中，系统工作在两种状态。当ENA 引脚为低电平时，系统处在测量状态，MCU 和 外围电路都处在全速运行状态；当ENA 引脚为高电平时，MCU 处在低功耗状态和外围电路供电关断，并且全速状态的时间相当短，系统是工作在突发状态。
5 低功耗分析
系统的低功耗是便携式设备设计的一个难点之一。本系统基于MPS430超低功耗[3]7350MCU 进行设计，系统不仅仅是硬件的功耗低，关键是系统的独特工作方式使系统达到了更低的功耗。
一般的测量系统工作时，系统工作电流是恒定的，本系统测量时电流是突变的。图5为本系统在测量过程中，电流与时间的关系。
从图5可以看出系统在测量时，系统工作在突发的状态。系统工作的峰值电流较大，但时间短；系统大部分工作在低功耗状态，因此平均电流值很小，从而使系统的功耗达到了极低的水平。
以下分别对多节4000mAh 的D 型镍氢电池进行实验，在开路的情况下分别进行10次的测试。同时采用了哈尔滨子木科技公司生产的DK3000进行比较，表1列出了其中4节D 型电池的测试结果。
从上面的测试数据看，由于采用了12bit 的AD 转换器，测量电池的内阻的均方差[6]为0.02，测量的数据可以精确到4位有效数字以上。
尽管在实际的测试中，系统峰值电流达到了十几毫安，但是由于系统工作在突发状态，大部分时间工作在低功耗状态(LPM3)，平均电流在3mA 以下，达到了实用性。
6 结论
本内阻测试仪采用了超低功耗的MSP430系列单片机作为核心处理器，外围电路使用低功耗的元器件，使系统具有低功耗、小体积、低重量、低成本、智能化 特性。整个系统工作在突发状态，工作的平均电流小于3mA ，达到了实用的程度，满足了一些特殊现场测量的需要。并且本系统所涉及的一些低功耗设计方法可以 用于指导其他嵌入式便携系统的设计, 具有很强的推广应用价值。 参考文献
[1] 高效岳. 电池内阻的测量. 电池. 1985, 6: 2-4.
[2] 秦龙. MSP430单片机应用系统开发典型实例. 中国电力出版社. 2005, 143-161.
[3] 魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及其设计实例. 北京航空航天大学出版社. 2002, 27-36.
[4] TEXAX INSTRUMENTS. MSP43044x Mixed Signal Microcontroller. 2002, 1-65.
[5] Analog Devices. REF192x Series Precision Micropower, Low Dropout Voltage References. 2005, 1-10.
[6] 金泰义. 精度理论与应用. 中国科学技术大学出版社. 2004, 176-183. 作者简介：李革臣，哈尔滨理工大学自动化研究所所长，教授，主要研究方向为自动控制理论及应用。Email: [email protected]
基于交流测量法的便携式电池内阻测试仪的研制
2008年07月23日 作者：李革臣 李金录 古艳磊 来源：《中国电源博览》第90期 编辑：李远芳
摘要：电池的内阻是评价电池性能的一个重要的参考性指标。本文分析和比较了电池内阻两种检测 方法的原理和特点，采用交流注入法测量电池内阻，并阐述了其测量原理。使用超低功耗微处理器MSP430，设计了一种实用的便携式内阻测试仪，详细分析了 低功耗系统的软硬件设计。测试结果表明，该仪器的功耗达到了实用性，精度较好地满足了电池的内阻测试要求。
关键词：MSP430单片机；便携式；内阻测试；低功耗
Abstract: The battery internal resistance is an important reference parameter to evaluate the health of battery. Two kinds of detect theories about the internal resistance of the battery are analyzed and the features of these two kinds of detect methods are compared. The method of AC exchange injection is used to measure the resistance of battery and the principle of measurement is explained. MSP430F449 ultra-low-power microprocessor is used to design the practical portable resistance testing equipment, and the low-power system design of hardware and software is analyzed. The results show that the instrument is appropriate for testing the internal impedance of Ni-MH and Li-ion battery. Key words: MSP430; portable; resistance testing; low-power
电池的内阻是电池的重要参数，它不仅反映电池当前的荷电状态(SOC)，而且反映电池的劣化程度(SOH)。目前电池的内阻检测是采用电化学交流阻抗 法，其叠加的交流信号频率范围为1kHz 。传统的电池内阻测试一般都是用交流电供电，设备笨重不易携带，无法满足一些特殊场合的应用。本文设计了一种基于 超低功耗MSP430单片机的低功耗的便携式内阻测试仪，满足了工程实际应用的需要。
1 设计原理的选择
测量电池的内阻，应用的最广泛的两种方法是直流放电法和交流注入法。 直流放电法是由电池组产生一个瞬间负载电流，然后测出电极柱上电压的瞬间负载电流，然后测出电池在接通了负载后几秒钟内电池端电压和流过电池电流发生的变化。通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可以推导出电池的直流内阻。
交流注入法是用一个交流源注入几十毫安的电流到电池内部，然后测出电池极柱上的响应，通过欧姆定律计算得到电池阻抗[1]。
从上面两种方法的介绍可以知道，直流放电法需要在瞬间让电池放出几十安培的电流，因此需要较大的负载，瞬间发热十分可观，不易设计成便携式仪表；而交流 注入法无需放电负载，电流小，容易做到体积小、省电、便携。交流注入法的主要缺点是在注入电流较小的情况下，响应会十分微弱，容易被噪声干扰。但应用放大 器和有源滤波器完全可以准确测得电池两端的响应。经过综合考虑，本文选择用交流注入法来实现电池内阻测试。
2 测量原理
图1. 硬件结构框图
电池内阻测试仪的结构如图1所示，当施加给电池的激励源信号为正弦交流信号i(t)时，设
其中： 为幅值, 为角频率， 为初相角。
电池电压的响应信号为：
其中：U 为响应振幅，ω为角频率，φu 为初相角，N(t)为噪声信号。 参考信号为电流经限流电阻 分压所得，其值为：
两者的相关函数为：
由于噪声信号 和参考信号 互不相关，则 ，则有
则电池的内阻为：
在实际应用中, 相关函数运算由锁相放大器实现。测量时, 通过使用标准电阻
替代电池（激励源电流值，频率保持不变）进行同样的测试，可以求出待定系数 ：
所以电池的内阻 为：
其中： 为已知阻值的标准电阻。
都可通过AD 转换器得到。综上所述，电池的内阻是可测量的。
3 硬件结构设计：
由图1可知激励源提供注入电池的交变微弱电流信号，交流差分电路起到隔离直流分量作用，并把电池的响应信号 适当放大。锁相放大电路是系统的核心之一，它的主要作用是从噪声干扰中提取有用的微弱信号，即电池的响应信号。MSP430单片机负责采样、数据处理、电 源管理及液晶显示值输出。MSP430单片机，拥有60K Flash 、采样速度为200K 的12bit 模数转换器和48个I/O口，完全满足了系统设计高精度和低功耗的要求[2-4]。
通过上述硬件结构实现了精确的内阻测量和系统的低功耗设计。
图2. 激励源原理图
图3. AD630芯片原理图
图4 主程序流程图
3.1激励源模块
激励源在实际应用中为一个方波信号，由一个高精度、低功耗的可控基准源REF192和一个电压跟随器组成，电流值的大小为I=Vout/R，电路中REF192为高精度、低功耗、低温漂的基准源[5]，通过控制REF192的引脚的电平高低，使交流信号为方波信号，激励源原理图如图2所示。
3.2 锁相放大模块
在实际的电路中，我们使用了AD 公司的AD630实现锁相放大功能。原理图如图3所示。
响应信号为电池注入交变电流后的响应信号，接入AD630的RINA 引脚。参考信号为激励源通过电阻的分压形成的电压信号，此信号与交流电流信号源的同 频同相，将此信号接入AD630的SELB 脚，通过AD630的处理，我们可以在AD630的VOUT 引脚得到输出信号。
4 软件设计
在软件设计过程中充分考虑到了功耗问题。为了充分利用CPU 低功耗性能，使单片机工作在突发状态，系统通过定时器1产生的0.5S 的中断将CPU 从休眠状态中唤醒，完成相应的工作之后又进入休眠状态。
表1 D型镍氢电池的内阻测试结果
图5 低功耗测量系统工作电流
主程序流程图如图4所示，其中ADC12MEMN0 > 100 表示有被测量电池接入回路中。从软件流程图可以看出，在测量电池内阻的过程中，系统工作在两种状态。当ENA 引脚为低电平时，系统处在测量状态，MCU 和 外围电路都处在全速运行状态；当ENA 引脚为高电平时，MCU 处在低功耗状态和外围电路供电关断，并且全速状态的时间相当短，系统是工作在突发状态。
5 低功耗分析
系统的低功耗是便携式设备设计的一个难点之一。本系统基于MPS430超低功耗[3]7350MCU 进行设计，系统不仅仅是硬件的功耗低，关键是系统的独特工作方式使系统达到了更低的功耗。
一般的测量系统工作时，系统工作电流是恒定的，本系统测量时电流是突变的。图5为本系统在测量过程中，电流与时间的关系。
从图5可以看出系统在测量时，系统工作在突发的状态。系统工作的峰值电流较大，但时间短；系统大部分工作在低功耗状态，因此平均电流值很小，从而使系统的功耗达到了极低的水平。
以下分别对多节4000mAh 的D 型镍氢电池进行实验，在开路的情况下分别进行10次的测试。同时采用了哈尔滨子木科技公司生产的DK3000进行比较，表1列出了其中4节D 型电池的测试结果。
从上面的测试数据看，由于采用了12bit 的AD 转换器，测量电池的内阻的均方差[6]为0.02，测量的数据可以精确到4位有效数字以上。
尽管在实际的测试中，系统峰值电流达到了十几毫安，但是由于系统工作在突发状态，大部分时间工作在低功耗状态(LPM3)，平均电流在3mA 以下，达到了实用性。
6 结论
本内阻测试仪采用了超低功耗的MSP430系列单片机作为核心处理器，外围电路使用低功耗的元器件，使系统具有低功耗、小体积、低重量、低成本、智能化 特性。整个系统工作在突发状态，工作的平均电流小于3mA ，达到了实用的程度，满足了一些特殊现场测量的需要。并且本系统所涉及的一些低功耗设计方法可以 用于指导其他嵌入式便携系统的设计, 具有很强的推广应用价值。 参考文献
[1] 高效岳. 电池内阻的测量. 电池. 1985, 6: 2-4.
[2] 秦龙. MSP430单片机应用系统开发典型实例. 中国电力出版社. 2005, 143-161.
[3] 魏小龙. MSP430系列单片机接口技术及其设计实例. 北京航空航天大学出版社. 2002, 27-36.
[4] TEXAX INSTRUMENTS. MSP43044x Mixed Signal Microcontroller. 2002, 1-65.
[5] Analog Devices. REF192x Series Precision Micropower, Low Dropout Voltage References. 2005, 1-10.
[6] 金泰义. 精度理论与应用. 中国科学技术大学出版社. 2004, 176-183. 作者简介：李革臣，哈尔滨理工大学自动化研究所所长，教授，主要研究方向为自动控制理论及应用。Email: [email protected]