裝甲車(chē)輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀研究與實(shí)現

1 引言
     裝 甲 車(chē) 輛 的 蓄 電 池 擔 負 著(zhù) 發(fā) 動(dòng) 機 啟 動(dòng) 電 機 、 電 氣 儀 表、照明等電氣設備供電的重要工作，而目前已裝備的裝甲 部隊尚未配備能夠實(shí)時(shí)檢測蓄電池性能的儀器設備。蓄電池 實(shí)時(shí)檢測儀用于在線(xiàn)測量蓄電池內阻，進(jìn)而評估蓄電池性能 的優(yōu)劣，為裝備維護保養提供有效的數據支撐。其主要功能 為：
一是測量單體蓄電池和串聯(lián)電池組的電壓、內阻、連接條電阻。
二是故障報警功能。當所檢測的內阻和電壓超出設置 的上限或低于下限時(shí)，儀器進(jìn)行聲音和文字報警，及時(shí)發(fā)現 并顯示電池運行故障。
三是自動(dòng)估算電池容量功能。
2 系統組成與原理
2.1  系統組成
該裝甲車(chē)輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀的系統組成如圖1所示， 主要由交流差分放大電路、耦合驅動(dòng)電路、低頻交流信號發(fā) 生器、鎖相放大及濾波電路、A/D轉換器和單片機等子系統 組成。
2.2  工作原理
內阻測量是一個(gè)比較復雜的過(guò)程，目前主要有兩種方 法，即直流放電法和交流注入法。交流注入法相對直流放 電法有很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、成本低、對電池無(wú)損害、可在 線(xiàn)測量、可進(jìn)行頻繁的測量等。由于交流注入法具有上述優(yōu)

圖1  裝甲車(chē)輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀組成原理框圖    

圖2  AD630電路原理圖
點(diǎn)，得到了越來(lái)越廣泛的應用，因此我們采用交流注入法作
為研制蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀的理論基礎。
交流注入法測量蓄電池內阻的原理框圖如圖1所示。圖 中低頻交流信號發(fā)生器為一個(gè)頻率為1kHz的交流恒流電流 源，用于給電池注入交流電流信號I；電阻Rr為取樣電阻， 用于產(chǎn)生同步電壓響應信號V。測量?jì)茸钑r(shí)首先通過(guò)測量電 壓V計算出內阻抗Z，如公式（1）所示；然后測量電壓和電 流之間的相位差θ；最后通過(guò)公式（2）計算出內阻抗中純 阻性部分，即蓄電池內阻R。
該方法不需對蓄電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現安全在線(xiàn)檢
測電池內阻，故不會(huì )對蓄電池的性能造成影響。但在實(shí)際使 用中，由于饋入信號的幅值有限，電池的內阻在微歐或毫歐 級，因此產(chǎn)生的電壓變化幅值也在微伏級，信號容易受到干 擾，尤其是在線(xiàn)測量時(shí)，受到的影響更大。
為了解決上述問(wèn)題，

實(shí)時(shí)檢測儀采用鎖相放大及濾波 電路，將蓄電池兩端的電壓響應信號通過(guò)交流差分電路與 產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號進(jìn)行相關(guān)運算、濾波、放大，形 成直流信號。直流信號通過(guò)模數轉換后送入單片機處理并計 算出蓄電池內阻。鎖相放大及濾波電路是內阻測量的核心部 分，用于分離電池內阻上固有的容性成分，能夠對微弱的內 阻測量信號進(jìn)行鎖相放大及濾波處理，有效地抑制了強電干 擾和環(huán)境噪聲，大大提高了測量精度。

圖3  裝甲車(chē)輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀

3 軟硬件設計
3.1  鎖相放大技術(shù)
研 制 裝 甲 車(chē) 輛 蓄 電 池 實(shí) 時(shí) 檢 測 儀 的 關(guān) 鍵 性 技 術(shù) 為 鎖 相 放 大技 術(shù) 。 該 技 術(shù) 利 用 測量信號與干擾噪聲在時(shí)間特性上的不同，通過(guò)相關(guān)計算抑制 噪聲和干擾，從而抽取并放大微弱信號。該技術(shù)的實(shí)現通過(guò) 鎖相放大電路完成，電路將待檢測的信號中與參考信號同步 的信號放大并檢測出來(lái)。鎖相放大電路可以使實(shí)時(shí)檢測儀抑制噪聲的性能提高若干個(gè)數量級，具有極強的抗噪聲干擾能力。
在本實(shí)時(shí)檢測儀設計中，采用了ADI公司生產(chǎn)的平衡調制解調芯片AD630。其實(shí)現的電路原理如圖2所示。
參考信號為交流電流信號源輸出電阻Rr 上的電壓信號， 此信號與電池上的注入信號同頻同相。但由于電池的內阻抗 存在容性分量，所以從電池取樣上來(lái)的信號與注入信號有 相位差，設為θ 。并設電池的內阻抗為R z ，純內阻為R ，則 有：