基才Cortex—M3的电池内阻检测系统设计与实现

摘要：以电池为能源的各类电气设备，在工业生产、交通、军事、通信等领域广泛应用，电池性能对电子、电气设备的正常运行具有极其重要的作用。电池在使用过程中，其性能和容量会随充放电次数的增加而下降，所以，定期维护及检验电池性能，是保证电器设备可靠工作的重要内容。电池内阻是检验电池性能和容量的重要参数，通过内阻检测评估电池性能和容量参数，也是科学研究和工业应用的基本原理。电池内阻测量的常用方法一般采用电位差原理。但是，该测量方法对于大型设备的高容量电池存在测量误差大、发热、易损电池等弊端。本文采用基于Cortex—M3核32位微处理微计算机控制和电位差原理的智能内阻测量系统，实现了大容量电池的精确、快速、安全测量和高度智能化的故障诊断功能，具有重要的科学研究意义及实用价值。

关键词：Cortex—M3;电池;内阻检测;电位差

电源是电子、电器设备的重要组成部分，而电池则是移动电子产品中不可或缺的电源部件。电子产品中的电源或电池模块直接影响电子产品的工作状况。对于移动电子、电器产品，大到工业设备，如电动汽车、矿山设备，中到家用电动摩托车，小至手机、Ipad等手持设备，无一不与电池设备有关，电池性能对电子、电器设备性能具有举足轻重的作用。电池的性能指标包括：电池容量、能比、负载特性、寿命等多项参数，而电池性能的评估，一般是通过对电池内阻参数的测量得到，因为电池内阻直接影响电池的负载能力，也是间接评估电池性能的依据。

目前国内外测量电池内阻的常见方法有密度法、开路电压法、直流放电法和交流注入法等多种测量方法。上述方法，适用于小容量电池或实验室测量，对于大容量或超大容量电池测量，存在测量精度差、发热、易损电池等致命问题，是工业应用中亟待解决的问题，大容量电池性能测量难以通过直流放电法精确测量。

在实验室精密测量实验中，常采用电位差原理测量精密表头或小容量电池内阻。该原理的测量精度，取决于测量仪器精度、测量方法、被测对象内阻的大小、测量过程、与

内阻等效串联的连线电阻等多种因素。例如：小容量叠层电池，由于内阻较大，且对测量过程无特殊要求，用电位差原理，可得到很高的测量精度，也不会对电源造成不良影响但该原理不能用于大容量电池的内阻测量，原因在于：1)长时间(秒级)大电流放电易损电池;2)线路电阻严重影响测量精度。

根据上述测量原理存在的问题，综合开路电压法和直流放电法原理，设计了基于位差原理和CORTEX—M3微处理器控制的电池内阻测试设备，即分别测量电池的空载电压Ue和负载电压UL，利用测量参数Ue、UL和已知负载电阻RL，通过计算间接测量电池内阻Ri，其优点在于：1)勿需大电流放电，避免电池及触头发热现象;2)瞬间(微秒级)放电和快速测量，无损电池;3)线路电阻与测量结果无关，测量精度极高。该原理在工业检测应用中得到了验证。

1 测量原理

1.1 测量电路

考虑到Cortex—M3微处理器(STM32F103)数据采集的电平要求及原理验证测试的方便，采用标称3.6 V的大容量锂电池及分压电路作为测试电路，如图1所示。

1. 2 元件作用及参数选择

E：等效的理想电压源，待测参量;Ri：串联等效的电池内阻，待测参量;

负载测量支路：包括K2开关和分压电阻Rl1、Rl2。Rl1和R2组成负载分压器，电阻参数选择，应满足数据采集端口的电平要求和重负载放电的要求，本支路选择R1=1 Ω，R2= 2Ω。

空载测量支路：包括开关K1和分压电阻Re1、Re2。Re1和Re2组成空载分压器，分压同比RL支路，但其参数选择应远大于RL支路，以不影响空载电压的测量精度。本支路选择R1=1 kΩ，R2=2 kΩ，分压比相同，支路电流相差1 000倍，满足上述测量条件。

UE0、UL0：分别是空载和负载电压测量端，利用测量数据，计算并间接测量电池的空载及负载状态的电池端电压U0，并根据位差间接测量电源内阻Ri。

K1和K2是用于测量控制的电子开关，其通态电阻仅为12 mΩ左右，可忽略其对电路的影响。

1.3 测量原理

图1电路中，两条支路的工作分别由K1、K2电子开关控制，且不同步。空载电压测量时，断开K2，闭合K1，根据电阻分压原理，得到空载分压输出为：

2 仿真测试

利用电路仿真软件对上述公式进行仿真验证。仿真测试中：仿真软件为TINA V8.0工业版;空载测试支路参数选择：(Re1+Re2)>>(Rl1+Rl2);内阻Ri：变参数测试验证;仿真测试电路：参照图1。

2.1 仿真测试电路

分别接通和断开图1电路中的K1和K2测试开关，则空载电压和负载电压仿真测试等效电路如图2所示，图2(a)表示空载仿真测试图，图2(b)表示负载仿真测试图。

2.2 仿真测试验证

根据上述参数选取原则，选择图2所示元件参数，利用公式(5)计算不同Ri时的仿真测量值及误差分析，如表1所示。

表1的测试结果验证了利用位差原理测量电源或电池内阻的原理正确，具有极高的精度。

3 硬件设计

实际测试系统的实现是基于Cortex—M3架构的32位微处理器，利用片上内置的自校准、高速、高性能12位ADC数据采集模块，并采用分时逻辑控制原理实现空载电压和负载

电压的测试，以消除由于测量过程引起的电池发热、损坏等问题。

测试系统结构图及原理图如图3所示。

电路图说明：R1～R3、T1、M1——空载测量控制开关。R4～R6、T2、M2——负载测量控制开关。其他元器件作用及功能同前。

4 软件设计

在实际应用中，仅测量静态内阻(即单点测量)可以满足一般的工业应用要求，但在电池或电源性能研究应用中，则同时要求跟踪电源特性，即电源内阻的动态性能测量。本

系统设计具有静态内阻和动态内阻测量功能。如图5和图6所示。

图5表示静态(单点)数据采集流程图，静态(单点)测试逻辑辑是根据单点数据采集而进行的。图6表示动态(多点)数据采集流程图，动态监测要求连续曲线输出，以实现精密、直观测量。

5 测试结果

5.1 负载单点测量数据

下表列出了3种低效手机电池、单点、重复(4次)测试的内阻数据。

5.2 动态内阻测试显示

电池在连续重负载条件下电池电压、电流及内阻变化曲线可以实时显示其充电电流、电压、温度等，显示效果较好，使用者可以实时了解电池的当前状态，方便用户使用。

6 结束语

基于电位差原理和Cortext—M3核微处理器控制的电池内阻检测系统的应用，实践表明：测试原理正确，结果精确，应用于该项目，完全满足应用要求，在精密检测及工业检测设备中具有广阔的应用前景。