齐延兴，杨雪银，王增玉

基于STM32的蓄电池内阻测量系统设计

齐延兴，杨雪银，王增玉

（临沂大学 自动化与电气工程学院，山东 临沂 276005）

文章设计了一款以STM32微处理器为核心的蓄电池内阻测量系统，采用交流阻抗法对电池内阻进行测量。针对测量信号微弱，易淹没于噪声的特点，应用相关检测技术以检出有用信息。调试和对比实验数据表明，该系统可实现对蓄电池内阻的在线、快速、精准测量。

STM32；蓄电池；交流阻抗法；相关检测

1 引言

随着能源危机和环境污染的加剧，电动汽车的保有量快速上升，蓄电池的应用量也快速上升。蓄电池性能和使用寿命对于电动汽车来说意义重大，是制约电动汽车发展的关键因素。电池内阻是评价蓄电池性能的关键指标，不仅能反映电池当前荷电状态，还能反映电池的劣化程度，并由其推断电池的性能和寿命。因此，运用内阻检测法来评价电池的性能是现今主要采用的方案之一[1,2]。

蓄电池内阻测量主要有直流放电法和交流阻抗法。直流放电法必须静态或脱机进行，瞬间大电流放电会对电池造成较大损害。交流阻抗法是对蓄电池施加小幅值的正弦信号，通过测定其输出响应来推算电池内阻。该方法可在线测量且不会对电池造成损害。其响应信号幅值很小，需设计良好的滤波器以检出有效信息。本文应用交流阻抗法设计一款蓄电池内阻测量系统，并采用相关检测技术检出有效信息。

2 检测原理

交流阻抗法测量蓄电池内阻，不需对电池放电，可在任何状态下进行测量。但由于蓄电池的内阻很小，一般在几毫欧至几十毫欧，施加正弦激励后，在电池两端产生的电压信号非常微弱，往往被噪声淹没，需进行放大后运用相关检测原理，测出电池两端的交流电压信号[3-5]。蓄电池内阻测量和相关检测原理如图1所示。

根据相关检测原理，混有噪声的待测信号和参考信号经相关运算后，信号和噪声、噪声和噪声之间相互独立，其相关函数为零。只有信号和信号相关，且可从噪声中检出。再经积分器后的输出信号只与电池内阻成比例。最终，经相关检测后，只要测出电池两端的交流电压值和流过的交流电流值，就可计算出电池的内阻。

图1 内阻测量和相关检测原理图

3 硬件设计

该系统是以蓄电池为研究对象，对其施加正弦激励后，对响应信号进行放大、相关处理后测量电池的内阻，根据检测结果对电池的性能做出评价。蓄电池内阻测量系统的原理框图如图2所示。其硬件电路主要包括STM32主控模块、正弦信号发生电路、信号处理电路、相关检测电路、显示电路、通信电路等。

图2 蓄电池内阻测量系统原理框图

3.1 STM32微处理器

经相关检测后输出的电压信号需进行A/D转换。为满足高精度A/D转换的需要，本设计选用了带有12位ADC的32位嵌入式微处理器STM32F103。

该单片机是意法半导体公司推出的一款超低功耗32位微处理器，工作频率高达72MHz。片内具有20KB的SRAM和64KB的FLASH。配备有1μs的双12位ADC、4兆位/秒的UART、18兆位/秒的SPI、翻转速度高达18MHz的众多I/O。

3.2 正弦信号产生电路

交流阻抗法需给蓄电池施加正弦激励信号。同时，相关检测需要将待测信号和参考信号进行相乘、积分运算。因此，需要产生正弦信号和参考信号。参考信号可以是方波、三角波、正弦波等周期性信号。本设计选用正弦波作为参考信号。正弦波产生电路选用AD公司生产的AD9850。这是一款采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，最高时钟为125MHz。

AD9850有40位的控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制。其输出频率可由式1求得。

式中：f为输出信号频率；为参考时钟频率；△为32位频率控制字。

3.3 信号处理电路

由于待测信号非常微弱，必须先进行放大滤波再送入相关检测器。信号处理电路如图3所示。其由高性能仪用放大器AD620和带通滤波器构成。

图3 信号处理电路

3.4 相关检测电路

相关检测电路采用AD公司生产的AD630，这是一款高精度平衡调制器，采用灵活的换流结构，由SiCr薄膜电阻提供出色的精度和温度稳定性。其信号处理由平衡调制和解调、同步检波、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大及方波乘法等电路构成。

本设计采用两片AD630构成双通道的相关检测电路。相关检测电路如图4所示。

图4 相关检测电路图

4 软件设计

蓄电池内阻测量系统软件采用C语言编写，采用模块化程序设计，包括主程序、数据转换子程序、数据处理子程、显示子程序、CAN通信程序等。系统主程序流程图如图5所示。

图5 主程序流程图

5 系统测试结果

按文中设计方案制作的蓄电池内阻测量系统，与天宇T2818蓄电池内阻检测仪所测得的结果进行对比。测试电池为安警12V/8Ah的铅酸蓄电池，使用时间一年左右。测试结果如表1所示。

表1 电池内阻测量结果对比

由表中数据可以得出，所设计的系统与T2818所测得的结果基本一致，表明所设计的系统达到了基本要求。

本文采用交流阻抗法和相关检测技术实现了蓄电池内阻的精准测量，可以方便地在线、无损、快速测量蓄电池内阻，并给出蓄电池性能的评价。系统具有成本低、易于实现、测量精度高等优点，具有广泛的应用前景。

[1] 张菲菲,王俊霞.阀控铅酸蓄电池性能检测和监控方案[J].电气与能源,2020,41(1):80-83.

[2] 毛猛,杨杰.基于交流放电法的铅酸电池的内阻测量[J].机械与电子,2019,37(3):34-37.

[3] 李芳培,毛建国.基于交流阻抗法的蓄电池内阻测量[J].重庆工学院学报（自然科学）,2009,23(9):93-98.

[4] 冯建,胡俊杰.交流注入式电池内阻测试仪电阻参数的校准方法[J].计量学报,2020,41(5):593-596.

[5] 朱晓莉,厉霞.基于AD630的双相锁相放大器设计[J].机电工程技术,2012,41(6):19-23.

Design of Battery Internal Resistance Measurement System Based on STM32

Qi Yanxing, Yang Xueyin, Wang Zengyu

( School of Automation and Electrical engineering, Linyi University, Shandong Linyi 276005 )

In this paper, a battery internal resistance measurement system based on STM32 microprocessor was designed. The internal resistance of the battery was measured by ac impedance method. Aiming at the characteristics of weak measurement signal and easy to be submerged in noise, correlation detection technology was applied to detect useful information. The experimental data show that the system can measure the internal resistance of the battery online, quickly and accurately.

STM32; Storage battery; AC impedance method; Correlation detection

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.02.014

U463.63+3

A

1671-7988(2021)02-41-03

U463.63+3

A

1671-7988(2021)02-41-03

齐延兴，就职于临沂大学自动化与电气工程学院。