【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 義： Rtp和 Rtn是電極離子遷移電阻； Lp、 Ln為正負(fù)極電感；Cdlp，、 Cdln是極板雙電層電容； Zwp， Zwn為阻抗； Rhf是歐姆電阻。 電池阻抗是一個(gè)復(fù)阻抗，對(duì)于蓄電池的阻抗就包擴(kuò)兩個(gè)方面，其中一方面是歐姆阻抗，另外一方面就是蓄電池兩端的正負(fù)極阻抗，在其他條件不變的情況下與測(cè)試頻率有關(guān)。 通常情況的內(nèi)阻是指某一固定頻率下的內(nèi)阻值，一般的內(nèi)阻測(cè)試有兩種：測(cè)蓄電池的內(nèi)阻測(cè)量，如鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰電池，使用的頻率一般為 1KHz；用于測(cè)鉛酸電池的頻率一般為 1060Hz。 設(shè)計(jì)方案論證 蓄電池的內(nèi)阻 要精確測(cè)量具有一定的難度的，其中存在幾個(gè)原因：第一，蓄電池內(nèi)阻非常小，小到毫歐數(shù)量級(jí)。第二，精度要求高，重復(fù)性，穩(wěn)定性要好，攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 測(cè)試方法的研究 6 內(nèi)阻的變化在一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間里是很小的，達(dá)不到精度，重復(fù)性和穩(wěn)定性的要求，測(cè)量是沒(méi)有意義的。第三，在線測(cè)量，干擾十分嚴(yán)重，特別是在同心系統(tǒng)中使用中、還有來(lái)自通信設(shè)備的干擾。第四，必須是在線測(cè)量，離線測(cè)量意義不大。 現(xiàn)目前，要測(cè)出蓄電池的內(nèi)阻的常見(jiàn)方法有許多種，其中包括：密度法、直流放電法、開(kāi)路電壓法、交流注入法。 （ 1）密度法：它是通過(guò)測(cè)量出蓄電池中的容液的密度，通過(guò)測(cè)量到的容液的密度來(lái)然后 算出蓄電池內(nèi)阻大小，而現(xiàn)在的蓄電池基本都是封閉式的，無(wú)法取得電解液。該方法的適用范圍窄并且這種方法在精度上有很大的缺陷。 （ 2）開(kāi)路電壓法：它主要是通過(guò)測(cè)出蓄電池的端電壓，理由測(cè)出來(lái)的端電壓，利用所知的知識(shí)運(yùn)算出蓄電池的內(nèi)阻，但是這種方法的精度很差，甚至可能算出不是我們需要的答案，即是算出來(lái)的內(nèi)阻數(shù)據(jù)是錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)?，即使一個(gè)容量已變小的蓄電池，在浮充狀態(tài)下的時(shí)候其端電壓仍然可能會(huì)表現(xiàn)出正常狀態(tài)。 （ 3）直流放大法就是通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行瞬間大電流放電，測(cè)量電池的瞬間電壓降，通過(guò)歐姆定律計(jì)算出電池內(nèi)阻。由于 瞬間大電流對(duì)蓄電池有一定的危害，并且當(dāng)內(nèi)阻值很小時(shí)，在一定電流下的電壓變化幅值相對(duì)較小，給準(zhǔn)確測(cè)量帶來(lái)困難。另外，由于放電過(guò)程電壓的變化，需要選擇穩(wěn)定區(qū)域計(jì)算電壓變化幅值。實(shí)際測(cè)量中，直流方法所得數(shù)據(jù)的重復(fù)性較差。 （ 4） 交流法是通過(guò)對(duì)蓄電池外加上一個(gè)交流電流，當(dāng)然該電流必須是低頻的，然后我們就可以測(cè)出蓄電池兩端的電壓和流過(guò)的電流，因?yàn)榧尤氲碾娏魇堑皖l的，所以所測(cè)出的電壓和電流都是低頻的，通過(guò)測(cè)出的數(shù)據(jù)之間的的電壓差，最后通過(guò)這些算出蓄電池當(dāng)時(shí)的內(nèi)阻。 交流法是通過(guò)加入一個(gè)額外電流，即在使用交流法的時(shí)候 ，不用讓電池處于放電狀態(tài)或者放完點(diǎn)的狀態(tài)，我們就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的在線監(jiān)測(cè)和管理，由此不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行方面有什么影響。同時(shí)，我們對(duì)蓄電池施加的低頻信號(hào)的頻率非常低，電流值相對(duì)也非常小，這樣就不會(huì)對(duì)電池的性能造成什么影響。首先產(chǎn)生一個(gè) 1KHz的恒定交流激勵(lì)信號(hào)，交流法通過(guò)對(duì)蓄電池注入一個(gè)交流信號(hào) Is，測(cè)量出蓄電池兩端的電壓響應(yīng)信號(hào) Vo，以及兩者的相位差θ，由阻抗公式（ 2）和（ 3） IsVZ 0? （ 2） ?ZCOSR? （ 3） 即可 計(jì)算出蓄電池的阻抗，進(jìn)而反映出蓄電池的性能。 有以上比較，我們選用交流法，來(lái)進(jìn)行對(duì)蓄電池的一些性能的測(cè)量。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 測(cè)試方法的研究 7 交流法 當(dāng)使用受控電流時(shí)電流如公式（ 4）所示 )2sin(Im ftaxI ?? （ 4） 產(chǎn)生的電壓響應(yīng)如公式 （ 5）所示 )2s in(m a x ?? ?? ftVV （ 5） 若使用受控電壓激勵(lì)如公式（ 6）所示 )2sin(m ax ftVV ?? （ 6） 產(chǎn)生的電流響應(yīng)如公式（ 7）所示 )2sin(Im ?? ?? ftaxI （ 7） 兩種情況的阻抗均為： 即阻抗是與頻率有關(guān)的復(fù)阻抗，其模如公式（ 8）所示 axVZ Imma x? （ 8） 相角為 φ 。 一般情況下激勵(lì)引起的電壓幅值變化小于 10mV，這樣能保證阻抗測(cè)量的線性。 從理論上講，向電池饋入一個(gè)交流電流信號(hào)，測(cè)量由此信號(hào)產(chǎn)生的電壓變化即可測(cè)得電池的內(nèi)阻 ，如公式（ 9）所示 IavVavR? （ 9） 式中 Vav為檢測(cè)到交流信號(hào)的平均值； Iav 為饋入交流信號(hào)的平均值 用交流法測(cè)量?jī)?nèi)阻的時(shí)候，我們是在電池上面加上一會(huì)交流信號(hào)，然后測(cè)量出通過(guò)電池的電流（ I）和該電流在電池兩端的所產(chǎn)生的交流電壓（ V），通過(guò)測(cè)量到的電流和電壓，我們就可以算出蓄電池的阻抗。一般情況下，我們所選擇的交流信號(hào)都是低頻的，并且該交流信號(hào)在使用的時(shí)候，對(duì)于電容的所產(chǎn)生的影響很小，所以一般 我們都忽略不計(jì)，所以對(duì)于我們測(cè)得的數(shù)據(jù)而言，實(shí)際上就是我們需要的蓄電池的電阻。對(duì)于交流法，它存在的缺點(diǎn)是很容易受到外界的影響。但是我們?nèi)绻x擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)試頻率，并采用有效的濾波器，還可以避免電源紋波和其他噪聲的影響的。交流法對(duì)正在使用的蓄電池來(lái)說(shuō)，它對(duì)系統(tǒng)額外的影響很小，而且測(cè)量的準(zhǔn)確性很高，并且在測(cè)量的時(shí)候不會(huì)對(duì)蓄電池造成什么影響，是測(cè)量蓄電池的不二之選。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 硬件電路設(shè)計(jì) 8 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 總體框架 在 實(shí)際使用中，由于饋入信號(hào)的幅值有限，電池的內(nèi)阻在微歐或毫歐級(jí)，因此，產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級(jí)，信號(hào) 容易受到干擾。尤其是在線測(cè)量時(shí)，會(huì)受到充電機(jī)或用電負(fù)載的影響。 交流法，首先要有一個(gè)交流源，原理框圖如圖 2 所示，交流原，就是提供交流信號(hào)，使之注入到蓄電池后能在蓄電池兩端產(chǎn)生一個(gè)交流相應(yīng)信號(hào)。同時(shí)考慮到交流源與蓄電池串聯(lián)后，蓄電池會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流信號(hào)。為了避免與恒流源影響。故在串聯(lián)電路中串聯(lián)一個(gè)電容，電容可以起到隔直流，通交流的作用。其阻值的大小選取，選擇較大電容阻值的，因?yàn)檫x擇較大的電容 c，交流信號(hào)在其分的電壓降，就少，其阻抗為 1/jω c。 蓄電池的內(nèi)阻不是純電阻，里面存在有容性成分，故交流信號(hào)經(jīng)過(guò)蓄電池 后相位差會(huì)發(fā)生變化。所以要測(cè)出蓄電池的阻抗，還要測(cè)出相位差 θ 。為了測(cè)出相位差我們需要一個(gè)參考電壓，電阻 Ro，就是提供一個(gè)參考電壓， R 取值 1KΩ，流過(guò)一個(gè)恒定的交流信號(hào)，如公式（ 10）所示 )sin( ??? wtAI （ 10） R上產(chǎn)生一個(gè)已知的電壓信號(hào)，如公式（ 11）所示 )sin( ??? wtARUr （ 11）設(shè)計(jì)總體框圖如圖 2 所示 圖 2 設(shè)計(jì)總體框圖 交流源 蓄電池 差分放大 AD8302幅相檢測(cè) A/D采樣 單片機(jī) LCD顯示 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 硬件電路設(shè)計(jì) 9 因?yàn)榻涣餍盘?hào)經(jīng)過(guò)蓄電池后，在蓄電池兩端的相應(yīng)信號(hào)十分微弱，直接取值不方便，并且如果直接取值還攜帶有直流信號(hào)，故我們選擇一個(gè)差分放大器，其輸入信號(hào)就是蓄電池兩端的的信號(hào)，經(jīng)過(guò)差分放大。得到蓄電池兩端的交流相應(yīng)電壓信號(hào)，并且此時(shí)已經(jīng)將直流信 號(hào)去掉。同樣我們對(duì)已知的參考信號(hào) R 兩端的信號(hào)作為輸入信號(hào)也經(jīng)過(guò)差分放大器。所以，我們就需要兩個(gè)完全一樣的差分放大器，放大器我們選用 INA2321芯片， INA2321 放大器一塊芯片里面有兩個(gè)完全一樣的放大器。故經(jīng)過(guò) INA2321后，信號(hào)放大同樣的倍數(shù)。 放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò) AD8302幅相檢測(cè)芯片可以得到兩個(gè)輸入信號(hào)的幅度之比和兩輸入信號(hào)的相位差 θ 。假設(shè)幅度之比為 q,則蓄電池兩端的相應(yīng)電壓信號(hào)如公式（ 12）所示 )1(0 ?? ??? wtqA RU （ 12） 帶入阻抗公式（ 2）和（ 3），其中 Vo=Umax= qARo， Is=Imax=A 得公式（ 13） R=qRocosθ （ 13） 在單片機(jī)里數(shù)據(jù)處理后，送入 LCD顯示。直觀現(xiàn)實(shí)出來(lái)蓄電池性能的好壞。 主處理器模塊 AT89C51它是由一個(gè) 8位中央處理器，一個(gè) 256B片內(nèi) RAM以及 4KB Flash ROM,還要 21 個(gè)特殊功能寄存器， 4 個(gè) 8 位并行 I/O 口，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè)串行 I/O口以及中斷系統(tǒng)等部分組成，各個(gè)功能部件通過(guò)片內(nèi)單一總線連為一 體，集成在一塊芯片上。 （ 1）主要特性 ?與 MCS51 兼容 ?4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ?壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) ?數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 ?全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz ?三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 ?128*8位內(nèi)部 RAM ?32可編程 I/O 線 ?兩個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ?5個(gè)中斷源 ?可編程串行通道 ?低功耗的閑置和掉電模式 ?片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 硬件電路設(shè)計(jì) 10 AT89C51引腳如圖 3所示 圖 3 AT89C51 引腳 （ 2）管腳說(shuō)明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙 向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě) 1時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0外部必須被拉高。 P1口： P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接 收。 P2口： P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O口， P2口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 硬件電路設(shè)計(jì) 11 P2口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選 通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)， ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，