装甲车辆蓄电池实时检测仪研究与实现

1 引言
     装 甲 车 辆 的 蓄 电 池 担 负 着 发 动 机 启 动 电 机 、 电 气 仪 表、照明等电气设备供电的重要工作，而目前已装备的装甲 部队尚未配备能够实时检测蓄电池性能的仪器设备。蓄电池 实时检测仪用于在线测量蓄电池内阻，进而评估蓄电池性能 的优劣，为装备维护保养提供有效的数据支撑。其主要功能 为：
一是测量单体蓄电池和串联电池组的电压、内阻、连接条电阻。
二是故障报警功能。当所检测的内阻和电压超出设置 的上限或低于下限时，仪器进行声音和文字报警，及时发现 并显示电池运行故障。
三是自动估算电池容量功能。
2 系统组成与原理
2.1  系统组成
该装甲车辆蓄电池实时检测仪的系统组成如图1所示， 主要由交流差分放大电路、耦合驱动电路、低频交流信号发 生器、锁相放大及滤波电路、A/D转换器和单片机等子系统 组成。
2.2  工作原理
内阻测量是一个比较复杂的过程，目前主要有两种方 法，即直流放电法和交流注入法。交流注入法相对直流放 电法有很多优点，如体积小、成本低、对电池无损害、可在 线测量、可进行频繁的测量等。由于交流注入法具有上述优

图1  装甲车辆蓄电池实时检测仪组成原理框图    

图2  AD630电路原理图
点，得到了越来越广泛的应用，因此我们采用交流注入法作
为研制蓄电池实时检测仪的理论基础。
交流注入法测量蓄电池内阻的原理框图如图1所示。图 中低频交流信号发生器为一个频率为1kHz的交流恒流电流 源，用于给电池注入交流电流信号I；电阻Rr为取样电阻， 用于产生同步电压响应信号V。测量内阻时首先通过测量电 压V计算出内阻抗Z，如公式（1）所示；然后测量电压和电 流之间的相位差θ；最后通过公式（2）计算出内阻抗中纯 阻性部分，即蓄电池内阻R。
该方法不需对蓄电池进行放电，可以实现安全在线检
测电池内阻，故不会对蓄电池的性能造成影响。但在实际使 用中，由于馈入信号的幅值有限，电池的内阻在微欧或毫欧 级，因此产生的电压变化幅值也在微伏级，信号容易受到干 扰，尤其是在线测量时，受到的影响更大。
为了解决上述问题，

实时检测仪采用锁相放大及滤波 电路，将蓄电池两端的电压响应信号通过交流差分电路与 产生恒定交流源的正弦信号进行相关运算、滤波、放大，形 成直流信号。直流信号通过模数转换后送入单片机处理并计 算出蓄电池内阻。锁相放大及滤波电路是内阻测量的核心部 分，用于分离电池内阻上固有的容性成分，能够对微弱的内 阻测量信号进行锁相放大及滤波处理，有效地抑制了强电干 扰和环境噪声，大大提高了测量精度。

图3  装甲车辆蓄电池实时检测仪

3 软硬件设计
3.1  锁相放大技术
研 制 装 甲 车 辆 蓄 电 池 实 时 检 测 仪 的 关 键 性 技 术 为 锁 相 放 大技 术 。 该 技 术 利 用 测量信号与干扰噪声在时间特性上的不同，通过相关计算抑制 噪声和干扰，从而抽取并放大微弱信号。该技术的实现通过 锁相放大电路完成，电路将待检测的信号中与参考信号同步 的信号放大并检测出来。锁相放大电路可以使实时检测仪抑制噪声的性能提高若干个数量级，具有极强的抗噪声干扰能力。
在本实时检测仪设计中，采用了ADI公司生产的平衡调制解调芯片AD630。其实现的电路原理如图2所示。
参考信号为交流电流信号源输出电阻Rr 上的电压信号， 此信号与电池上的注入信号同频同相。但由于电池的内阻抗 存在容性分量，所以从电池取样上来的信号与注入信号有 相位差，设为θ 。并设电池的内阻抗为R z ，纯内阻为R ，则 有：