裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言
     裝 甲 車 輛 的 蓄 電 池 擔(dān) 負(fù) 著 發(fā) 動 機(jī) 啟 動 電 機(jī) 、 電 氣 儀 表、照明等電氣設(shè)備供電的重要工作，而目前已裝備的裝甲 部隊(duì)尚未配備能夠?qū)崟r(shí)檢測蓄電池性能的儀器設(shè)備。蓄電池 實(shí)時(shí)檢測儀用于在線測量蓄電池內(nèi)阻，進(jìn)而評估蓄電池性能 的優(yōu)劣，為裝備維護(hù)保養(yǎng)提供有效的數(shù)據(jù)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(nèi)阻、連接條電阻。
二是故障報(bào)警功能。當(dāng)所檢測的內(nèi)阻和電壓超出設(shè)置 的上限或低于下限時(shí)，儀器進(jìn)行聲音和文字報(bào)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn) 并顯示電池運(yùn)行故障。
三是自動估算電池容量功能。
2 系統(tǒng)組成與原理
2.1  系統(tǒng)組成
該裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀的系統(tǒng)組成如圖1所示， 主要由交流差分放大電路、耦合驅(qū)動電路、低頻交流信號發(fā) 生器、鎖相放大及濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)等子系統(tǒng) 組成。
2.2  工作原理
內(nèi)阻測量是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，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?zé)o損害、可在 線測量、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)，得到了越來越廣泛的應(yīng)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(chǔ)。
交流注入法測量蓄電池內(nèi)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(yīng)信號V。測量內(nèi)阻時(shí)首先通過測量電 壓V計(jì)算出內(nèi)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；最后通過公式（2）計(jì)算出內(nèi)阻抗中純 阻性部分，即蓄電池內(nèi)阻R。
該方法不需對蓄電池進(jìn)行放電，可以實(shí)現(xiàn)安全在線檢
測電池內(nèi)阻，故不會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(nèi)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，尤其是在線測量時(shí)，受到的影響更大。
為了解決上述問題，

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(yīng)信號通過交流差分電路與 產(chǎn)生恒定交流源的正弦信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算、濾波、放大，形 成直流信號。直流信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理并計(jì) 算出蓄電池內(nèi)阻。鎖相放大及濾波電路是內(nèi)阻測量的核心部 分，用于分離電池內(nèi)阻上固有的容性成分，能夠?qū)ξ⑷醯膬?nèi) 阻測量信號進(jìn)行鎖相放大及濾波處理，有效地抑制了強(qiáng)電干 擾和環(huán)境噪聲，大大提高了測量精度。

圖3  裝甲車輛蓄電池實(shí)時(shí)檢測儀

3 軟硬件設(shè)計(jì)
3.1  鎖相放大技術(shù)
研 制 裝 甲 車 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，通過相關(guān)計(jì)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(xiàn)通過 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。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(shù)量級，具有極強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。
在本實(shí)時(shí)檢測儀設(shè)計(jì)中，采用了ADI公司生產(chǎn)的平衡調(diào)制解調(diào)芯片AD630。其實(shí)現(xiàn)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(nèi)阻抗 存在容性分量，所以從電池取樣上來的信號與注入信號有 相位差，設(shè)為θ 。并設(shè)電池的內(nèi)阻抗為R z ，純內(nèi)阻為R ，則 有：