简介:该文是关于铅酸蓄电池类论文写作参考范文跟内阻方面论文范文资料.
摘 要： 电池内阻大小能够直接反映电池的放电能力及预期寿命,是用于评价铅酸蓄电池性能的重要指标.提出一种基于交流注入法的铅酸蓄电池内阻检测系统.硬件系统包括处理器、正弦激励信号源、信号测量电路、温度测量电路等模块;软件系统实现了自动量程切换、状态LED显示、通信和数据处理等任务;针对信号过于微弱的问题,通过理论分析,采用数字锁相放大技术实现特殊处理.采用BT508内阻分析仪作为标准测试仪表进行对比测试验证,表明本系统测量结果偏差不超过0.03 mΩ,能够达到实际应用要求.
关键词： 铅酸蓄电池;内阻检测;交流注入法;弱信号处理;数字锁相放大
中图分类号：TM934.13文献标识码：A文章编号：2095-8412 （2020） 06-067-08
工业技术创新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.netDOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.06.012
引言
铅酸蓄电池在出厂时内阻一般较小.随着使用时间的推移,电解液逐渐减少,极板活性物质的活性逐渐降低,电池内阻逐渐增大.当电池内阻过大时,电荷无法正常释放,电池趋于失效[1].因此,内阻是铅酸蓄电池的一个重要性能参数,内阻变化速率是铅酸蓄电池放电能力好坏的重要评价指标,与电池预期寿命有相关性.
理论上,可以通过检测电池内阻变化速率来判断和预估电池性能[2],但是由于电池内部物质成分复杂且动态变化,电池内阻的精确测量成为难题[3].
本文首先介绍交流注入法的基本原理,提出一种对微弱信号的特殊处理方案;然后提出一种基于交流注入法的铅酸蓄电池内阻检测系统,实施硬件电路设计和软件任务设计,旨在以正弦信号作为激励源,利用数字锁相放大技术实现铅酸蓄电池的内阻测量;最后将本系统测量结果与标准系统进行对比,以评价设计的合理性.
1.电池内阻检测原理
1、1 交流注入法
基于交流注入法的电池内阻检测原理如图1所示,测量系统由激励信号源（交流电流源）与交流测试单元两部分构成.
交流电流源作为激励信号并联在待测电池两端.交流测试单元通过隔直电容耦合后并联在待测电池两端.交流测试单元具有较大阻抗,可以看成开路.交流电流源在电池两端产生交流电压.若交流电流源信号为,则
其中各变量的物理意义参照约定俗成的规则,后同.若交流电压信号为,则
电池内阻既有电阻特性,也有电容特性,激励信号与蓄电池两端信号存在着相位差.由于已知,且可以通过交流测试单元测量,因此电池内阻Z表示为
1、2 对微弱信号的特殊处理
由于信号有时非常微弱,因此采用数字低通滤波器,结合相关数字检测技术,构成数字锁相放大器,对微弱信号进行处理.此外,采用数字高通滤波器,有效滤除环境中的电磁干扰.将测量信号作为输入信号,激励信号作为参考信号,利用相关检测法提取有用信号,过程如下.
设正弦参考信号为,余弦参考信号为,输入信号为,则有
其中,A、B分别为输入信号和参考信号的幅度.将分别与与相乘可得
上述信号通过数字低通滤波器后剩余的直流成分为
那么,待测信号的幅度可以表示为
相位可以表示为
根据上述推导,构建数字锁相放大器,完成相关运算.
2.系统硬件设计
2、1 整体电路设计
系统整体电路设计方案如图2所示.其中电源电路为其他模块供電,属于附属电路模块,与其他电路相对独立.
系统由处理器、激励信号源（正弦）、待测电池、信号测量电路、温度测量电路等组成.正弦激励信号由微处理器内部的DA转换电路产生.采用热电阻PT100采集温度.处理器由STM32F373RC及其电路组成,内部的AD转换电路也能够采集温度,并采集内阻及电池电压.电路采用直流5 V供电.以下对其他重点电路的设计进行介绍.
2、2 激励信号源电路设计
激励信号源主要由DA转换、信号调整和电压—电流转换三部分电路产生.
DA转换电路采用微控制器内部自带的DAC产生模拟信号.输入码值CODE、输出电压及参考电压三者间的关系为
由于DAC输出正弦激励信号幅值为0.5 V,频率为1 kHz,因此DAC的输入码值在正弦表的基础上加上0x8000可满足直流偏置要求.
DAC输出正弦激励信号中包含大量高频分量,因此在DAC的输出端串联信号,以重构滤波器,滤除高频分量.设计的重构滤波器的截止频率为1 kHz,采用五阶椭圆滤波器电路[4],如图3所示.
DAC输出正弦激励信号还要通过一个加法器电路,以提高信号的偏置电压,偏置电路如图4所示.
最后,完成电压到电流信号的转换,转换电路如图5所示.
Howland电流源电路的输入电压与输出电流之间的关系为
将相关参数代入,有
MCP6002最大输出电流为20 mA,所以在输出端加上由MMBT5551与MMBT5401组成的推挽扩流电路,使激励信号达到最大1 A输出.
2、3 内阻信号放大电路设计
铅酸蓄电池两端采集的是一个含有直流成分和交流成分的混合信号.直流成分是电池输出电压,交流成分即为待采集信号,大小约为几百微伏,同时需要滤除噪声信号.
在此采用分立仪表放大电路对微弱信号进行放大.放大电路具有高开环增益、大共模抑制比、高输入阻抗、低直流偏置等优点,其基本结构如图6所示.输入级由两个同相放大器构成,提供高输入阻抗.后级有一个增益为1的差分放大器,负责把两个电压相减.
图6中的Q1、A1、R1和Q2、A2、R2为精密电流反馈放大器.节点1的电压为
节点2的电压为
差分放大器的输出电压为
其中,G为放大电路的增益,满足
放大电路的增益可以通过改变实现.当的值为无穷大时,放大电路的增益为1.
系统采用AD8422芯片实现放大功能,其电路如图7所示.
为了抑制高频干扰,必须对放大电路的输出信号进行低通滤波[5],低通滤波电路如图8所示.低通滤波电路的截止频率为1 kHz,采用2个二阶巴特沃斯低通滤波器级联构成.
2、4 温度测量电路设计
温度测量电路如图9所示.温度测量电路将PT100作为温度传感器,采用补偿三线式连接.当温度为0～300℃时,PT100电压输出为105～222.6 mV.将该电压放大20倍,产生2.3 V左右的输出范围.通过微处理器内部AD转换完成温度数据采集.
3.系统软件设计
系统软件部分采用FreeRTOS嵌入式多任务实时操作系统进行设计.
3、1 主程序设计
软件设计总体框图如图10所示.主程序中初始化程序先进行DAC、ADC、定时器、串口、通用IO等硬件的初始化,然后从FLASH中读取配置参数,启动窗口看门狗监测软件故障.看门狗监测软件启动后程序会创建四个任务,分别是自动量程切换任务、状态LED任务、通信任务和数据处理任务.数据处理任务是整个系统的核心,负责产生激励信号及完成内阻数据的检测.以下着重对数据处理任务程序设计进行介绍.
3、2 数据处理任务程序设计
数据处理任务程序主要由时钟配置程序、激励信号源产生程序、AD采样程序、信号处理程序四个部分组成.
3、2.1 时钟配置程序
DAC数据更新定时器作为主定时器,控制其他定时器的计数时钟,保证激励信号与采样信号时钟同步,流程如图11所示.
3、2.2 激励信号源产生程序
DAC数据更新频率为
（21）
其中,激励信号频率为1 kHz,查找得到相应的表长L为200.由定时器TIM2的计数周期控制DAC的数据更新频率,定时器TIM2的计数频率为
其中,为微控制器内部时钟,count为TIM2的计数周期.当为64 MHz,为200 kHz时,count的值为319.采样信号时钟与激励信号严格同步,采样触发信号由定时器TIM2的从定时器TIM3产生.定时器TIM3计数周期为19,脉冲宽度为9.
3、2.3 AD采样程序
AD采样程序由初始化子程序和中断处理子程序组成.初始化子程序负责AD参数配置和AD状态检测,初始化流程如图12所示.
AD转换完成时触发中断,微控制器调用中断处理程序,将AD转换结果读出,并写入AD转换结果队列中.中断处理流程如图13所示.
3、2.4 信号处理程序
当信号处理程序检测到有转换结果时,将数据读出,开始处理所采集的数据.信号处理流程如图14所示,其中实现的主要是数字滤波处理.
4.测试验证
采用Fluke公司的BT508蓄电池内阻分析仪作为标准测试仪表,在开路状态下,对某品牌6-QAW-40a型号的铅酸蓄电池进行对比测试验证,结果如表1所示.本系统测量结果与标准仪器测量结果偏差不超过0.03 mΩ,表明本文设计的基于交流注入法的铅酸蓄电池内阻检测系统稳定性好,能够达到实际应用要求.
5.结束语
本文基于交流注入法,完成了铅酸蓄电池内阻检测系统的设计.系统在硬件上包括处理器、正弦激励信号源、信号测量电路、温度测量电路等模塊,在软件上包含自动量程切换、状态LED显示、通信和数据处理等任务,并完成了相关程序设计.
本文创新点是使用数字锁相放大技术实现了微弱信号的检测和特殊处理.相关测试验证结果表明,本文设计的内阻检测系统能达到实际应用要求,可以在相关行业推广应用.
基金项目
江西省新能源工艺及装备工程技术研究中心开放基金项目（No. JXNE2017-06）
参考文献
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[2] 李艳, 李燚, 倪敏娜. 铅酸蓄电池内阻检测仪设计[J]. 仪表技术与传感器, 2015, 45（8）： 50-53.
[3] 李杨锋, 葛俊锋, 叶林, 等. 微欧级蓄电池内阻测量方法[J]. 仪表技术与传感器, 2015, 45（1）： 101-103.
[4] Chen Q Y, Wei K X. Estimation of Electric Vehicle Battery Ohmic Resistance Using Dual Extend Kalman Filter[J]. Applied Mechanics Materials, 2013, 391： 246-249.
[5] Jian Y J, Zhang Y T, Fei J G. Filter Design of Power Battery Resistance Measuring for New Energy Vehicle[J]. Applied Mechanics Materials, 2014, 551： 143-149.
作者简介：
黄鑫（1974—）,男,本科.主要研究方向：应用电子技术.
E-mail： 396525437@.com
蓝贤桂（1979—）,通信作者,男,硕士研究生,讲师.主要研究方向：电路与系统、机器视觉等.
E-mail： 6163237@.com
（收稿日期：2020-08-18）
总结：汇总,该文是一篇适合大学硕士与本科铅酸蓄电池相关的毕业论文开题报告写作参考和有关优秀学术职称论文参考文献资料，免费教你怎么写内阻方面论文.
内阻引用文献:
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[3] 蓄电池论文范文文献 关于蓄电池方面毕业论文的格式范文2万字
