总第４４卷第４９５期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９５Ｍａｒ．２００７２００７年第３期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ便携式低功耗电池内阻测试仪的研究＊
李革臣１，江
海１，王海英１，李金录２
（１．哈尔滨理工大学自动化学院，哈尔滨１５００８０；２．哈尔滨子木科技有限公司，哈尔滨１５００８０）
摘要：设计了一种实用的低功耗的内阻测试仪，介绍了采用交流注入法测量电池内阻的测量原理，详细分析了使用超低功耗微处理器ＭＳＰ４３０Ｆ４４９组成低功耗系统的软硬件设计。测试结果表明，该仪器能较好地满足镍氢电池和锂离子电池内阻测试的要求。关键词：ＭＳＰ４３０；电池；内阻测试；低功耗；中图分类号：ＴＭ９１１
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００１－１３９０（２００７）０３－００２２－０３
Ｓｔｕｄｙｏｎｐｏｒｔａｂｌｅｌｏｗ－ｐｏｗｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｅｒｏｆｂａｔｔｅｒｙ
ＬＩＧｅ－ｃｈｅｎ１，ＪＩＡＮＧＨａｉ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｙｉｎｇ１，ＬＩＪｉｎ－ｌｕ２
（１．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｌｌａｇｅ，ＨａｒｂｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ；
２．ＨａｒｂｉｎＺＥＥＭＯＯＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｒｂｉｎ１５００８０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｕｓｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＡＣｅｘｃｈａｎｇｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｂａｔｔｅｒｙａｎｄｅｘｐｌａｉｎｓｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓｇｏｏｄ，ａｎｄｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｆｉｔｆｏｒｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｅｓｔｉｎｇｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｉｍｐｅｄａｎｃｅｏｆＮｉ－ＭＨａｎｄＬｉ－ｉｏｎｂａｔｔｅｒｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭＳＰ４３０；ｂａｔｔｅｒｙ；ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｔｅｓｔｉｎｇ；ｌｏｗ－ｐｏｗｅｒ
０
前
言
图１所示，当注入到电池的激励源信号为
蓄电池内阻是电池的重要参数，它不仅反映电池当前的荷电状态（ＳＯＣ），而且还反映电池的裂化程度
\"ｔ＋#ｉ\"!Ｉ＝Ｉｓｉｎ!式中Ｉ为幅值，\"为角频率，$ｉ为初相角。
产生的电压响应信号为
（１）
（ＳＯＨ）。目前，蓄电池内阻的检测一般采用电化学交流
阻抗法，其叠加的交流信号频率范围为１ｋＨｚ。本文设计了一种基于超低功耗ＭＳＰ４３０单片机的低功耗便
携式电池内阻测试仪，满足了工程实际应用的需要。
（２）%Ｕ＝Ｕｓｉｎ!\"ｔ＋$ｕ\"式中Ｕ为响应振幅，\"为角频率，$ｕ为初相角。
则电池的复阻抗为
ｊ$
Ｚ!\"ｆ＝Ｕｅ＝Ｚｂａｔ＋ｊＵｓｉｎ$
ＩＩ式中Ｚｂａｔ为电池内阻，$＝$ｉ－$ｕ。
１电池内阻测量原理
目前，电池内阻的检测采用的是交流注入法，如
Ｓ
（３）
即电池的内阻为
Ｚｂａｔ＝Ｕｃｏｓ$
Ｉ电池的激励源信号ｉ（ｔ）为
（４）
电池内阻测试仪的硬件结构如图１所示，叠加给
\"ｔ＋$ｉ\"ｉ!\"ｔ＝Ｉｓｉｎ!图１
－２２－
（５）
硬件结构框图
式中Ｉ为幅值，\"为角频率，$ｉ为初相角。
带噪声的电池电压的响应信号为
＊国家重点基础研究计划（９７３）资助项目（２００２ＣＢ２１１８０３）
总第４４卷第４９５期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９５Ｍａｒ．２００７２００７年第３期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ!ｔ＋\"ｕ\"ｕ!\"ｔ＝Ｕ!\"ｔ＋ｎ!\"ｔ＝Ｕｓｉｎ!＋ｎ!\"ｔ
为噪声信号。
设参考信号电压值为
（６）
量和系统的低功耗设计。
式中Ｕ为响应振幅，!为角频率，\"ｕ为初相角，ｎ!\"ｔ
２．１．１ＭＰＳ４３０单片机简介
ＭＳＰ４３０单片机采用了ＴＩ公司最新的低功耗技
术。ＭＳＰ４３０工作在１．８～３．６Ｖ电压下，有正常工作模式
!ｔ＋\"ｉ\"Ｓｒｅｆ!\"ｔ＝ｉ!\"ｔ・Ｋ１＝ＩＫ１ｓｉｎ!式中Ｋ１为限流电阻Ｒ和差分放大系数的积。
两者的相关函数Ｒｕｓ!为#\"（７）
和４种低功耗工作模式，在电源电压为３Ｖ时，各种模式的工作电流分别为ＡＭ：３４０!Ａ；ＬＰＭ１：７０!Ａ；
Ｒｕｓ!＝１$\"＝１
ＴＴ０
ＴｔＳ#Ｕ!\"０１
Ｔ
ｒｅｆ
!ｔ－$\"ｄｔ
ｕ
ｉ
ｎｓ
ＬＰＭ２：１７!Ａ；ＬＰＭ３：２!Ａ；ＬＰＭ４：０．１!Ａ。
本文使用的ＭＳＰ４３０Ｆ４４９单片机，拥有６０ＫＦｌａｓｈ、采样速度为２００ｋ的１２位模数转换器和４８个ＩＯ口，完全满足了系统设计高精度和低功耗的要
!ｔ＋%\"!ｔ＋\"\"%ＫＵＩｓｉｎ!ｓｉｎ!ｄｔ＋Ｒ#$!$\"（８）
求［２－４］。
\"ｕ－\"ｉ\"$\"＝Ｋ１ＵＩｃｏｓ!＋Ｒｎｓ!它们的相关函数Ｒｎｓ!＝０。在$＝０时，由（８）式有$\"由于噪声信号ｎ!\"ｔ和参考信号Ｓｒｅｆ!\"ｔ互不相关，
２．１．２激励源模块与电源模块
激励源（图２）在实际应用中为一个方波信号，它
由一个高精度、低功耗的可控基准源ＲＥＦ１９２和一个电压跟随器组成，电流值为Ｉ＝ＶｏｕｔＲ，其中ＲＥＦ１９２为高精度、低功耗、低温漂的基准源
［５］
Ｒｕｓ!０\"＝ＵＩＫ１ｃｏｓ\"
式中\"＝\"ｉ－\"ｕ。
由式（４）、（９）求得，电池内阻为
（９）
，通过控制
ＲＥＦ１９２的引脚电平的高低，使交流信号为方波信号。
（１０）
Ｚｂａｔ＝Ｕｃｏｓ\"＝Ｋ２Ｒｕｓ!０\"Ｉ式中Ｋ２＝１ＩＫ１为待定系数。
２
在实际应用中，相关函数运算由锁相发大器实现。测量时，通过使用标准电阻Ｚ０替代电池（激励源电流值、频率保持不变）进行同样的测试，可以求出待定系数Ｋ２：
图２
激励源原理图
０
Ｋ２＝
Ｒｕｓ!０\"Ｚ０
０
（１１）
电源模块（图３）设计也是系统能够达到高精度、低功耗的关键之一，稳定的电源能够提高系统的测量精度。系统使用双电源供电，一个为３．６Ｖ给ＭＳＰ４３０单片机供电，一个为９Ｖ是给外围电路供电。ＭＳＰ４３０
所以，电池内阻Ｚｂａｔ为
Ｒ!０\"Ｚｂａｔ＝Ｋ２Ｒｕｓ!０\"＝ｕｓＲｕｓ!０\"Ｚ０
式中Ｚ０为已知的标准电阻阻值。
０
（１２）
单片机为超低功耗器件，在工作过程中消耗电量很小。系统主要电量消耗在外围电路，系统通过ＭＳＰ４３０的ＩＯ口控制ＴＰ７３５０使能引脚［６］（ＥＮ）电平的高低，控制外围电路供电的通断。
和Ｒｕｓ!都可通过ＡＤ转换器得到。综Ｒｕｓ!０\"０\"上所述，电池内阻是可测量的。
２系统的软硬件设计
２．１硬件设计
由图１可知，激励源提供注入电池的交变微弱电流信号，交流差分电路起到隔离直流分量的作用，并把
电池的响应信号适当放大。锁相放大电路是系统的核心之一，它能从背景噪声较大的信号源中提取有用的微弱信号，即电池的响应信号。ＭＳＰ４３０单片机负责采样、数据处理、电源管理及液晶显示值输出。
便携式内阻测试仪的两大核心是：精确的内阻测
图３
电源模块（ＴＰ７３５０）原理图
２．１．３锁相放大模块
在实际的电路中，我们使用了ＡＤ公司的ＡＤ６３０
实现锁相放大功能。
－２３－
总第４４卷第４９５期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９５Ｍａｒ．２００７２００７年第３期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ图４为锁相放大的电路图，其中响应信号为电池注入交变电流后的响应信号，参考信号为激励源通过电阻分压形成的电压信号，此信号与交流电流信号源同频同相。
２．３低功耗原理分析
系统的低功耗是便携式设备设计的难点之一。本
系统基于ＭＰＳ４３０超低功耗ＭＣＵ进行设计，系统不仅仅在硬件设计时考虑了低功耗，而且独特工作方式使系统达到了更低的功耗。
一般测量系统工作时系统工作电流是恒定的，本系统测量时电流是突变的。图６为本系统在测量过程中，电流与时间的关系。
电流／ｍＡ时间／ｍｓ
图６
图４
锁相放大的电路图
低功耗测量系统工作电流
从图６中可以看出本系统在测量时整个系统工作在突发的状态。系统工作时峰值电流较大，但时间短；系统大部分工作在低功耗状态，因此平均电流值很小，从而使系统的功耗达到了极低的水平。
２．２软件设计
在软件设计中充分考虑到功耗问题。为了充分利
用ＣＰＵ低功耗性能，使单片机工作在突发（即间歇）状态，系统通过定时器１产生０．５ｓ的中断将ＣＰＵ从休眠状态中唤醒进入工作状态，完成相应工作后即再进入休眠状态。
主程序流程图如图５所示，其中ＡＤＣ１２ＭＥＭＮ０
３实验结果和分析
在测试中，激励信号的频率为１ｋＨｚ，激励电流为
３ｍＡ，采样频率为２００ｋＨｚ，在室温下进行测量。
在实际的应用中，设备出厂前先需经过基准电阻进行校准。对于特定的注入电流，Ｋ２的值是恒定的，此参数应保存在ＭＳＰ４３０的可编程ＦＬＡＳＨ中。在现场进行内阻在线测量时，由（１０）式可知，只需要测出就可立即计算出电池的内阻。Ｒｕｓ!０\"实验中，分别对多节已经充分活化、容量为
＞１００表示有被测电池接入回路中。从图５可以看出，
在测量电池内阻过程中，系统工作在两种状态。当ＥＮ
引脚为低电平时，系统处在测量状态，ＭＣＵ和外围电路都处在运行状态；当ＥＮ引脚为高电平时，ＭＣＵ处在低功耗状态，外围电路供电关断。由于测量时间相当短，系统是工作在突发状态，故功耗很低。
４０００ｍＡｈ的Ｄ型镍氢电池进行实验，在开路的情况下
分别进行１０次的测试。同时采用了哈尔滨子木科技生产的ＤＫ３０００对测量结果进行比较，并以ＨＩＯＫＩ表１列出了其３５５５蓄电池测试仪的测量值作为标准。
中４节Ｄ型电池的测试结果。
系统误差主要来源于标准电阻阻值的精度和
Ａ／Ｄ转换器的精度。由于采用了１２位Ａ／Ｄ转换器，测量数据可以精确到４位有效数字以上。对于标准电阻，应该使用温漂系数小的高精度（误差小于０．０１％）
电阻，以保证测量的精度。
从上面的测试数据看，测量蓄电池内阻的标准差在０．０１０ｍΩ以下，达到了实用性。
在实际的测试中，系统峰值电流达到十几毫安，但是由于系统工作在突发状态，大部分时间工作在低功耗状态，平均电流在３ｍＡ以下。
４结束语
本电池内阻测试仪采用了超低功耗的ＭＳＰ４３０Ｆ
（下转第３３页）
图５
－２４－
主程序流程图
总第４４卷第４９５期电测与仪表Ｖｏｌ．４４Ｎｏ．４９５Ｍａｒ．２００７２００７年第３期ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ其次是对有关外设做出妥善处理。使外设处于某一个非工作状态。
Ａ，５（３０）Ａ，１０（４０）Ａ三种规格，对应的脉冲常数分别
是３２００、３２００／１６００、１６００；精度等级：２．０级；工作电压范围：ＡＣ１５４Ｖ￣２６４Ｖ，频率５０Ｈｚ±５％；工作温度：－
（２）系统分三路电源分别供电。电能计量一路，单
片机一路，ＲＳ４８５一路。从电源端避免系统各单元之
间的干扰。
１５℃￣５５℃，相对湿度不超过８５％。５
结束语
本表采用ＬＰＣ９４０１作为主控ＣＰＵ，器件功耗低，集成度高，在设计中充分合理地利用了芯片资源，采取了相应的抗干扰措施，使该表具有较高的性价比及较高的工作可靠性，同时也大大降低了成本。通过红外和ＲＳ４８５接口配合适当的通讯规约，可以方便的与管理计算机通信或通过集控器构成远程自动抄表网络。
参
空大学出版社，２００４．
（３）通过跨接压敏电阻，利用压敏电阻的电阻值
随电压的增加而减小的特性，在过压期间形成一个低阻的分流器，以加强电能表抗电网瞬间浪涌冲击的能力。
（４）输入输出用光电隔离。ＡＤ７７５５产生的脉冲经
光电隔离后供单片机采集，ＲＳ４５８同样通过光耦与单片机隔离。
（５）采用多级去耦，电路中每片集成电路芯片的
电源引脚与地之间均用０．１ｕＦ磁片电容进行去藕，防止因电源电压波动、闪电冲击、变压器产生的电磁场等干扰。
考文献
［１］周立功．ＬＰＣ９００系列ＦＬＡＳＨ单片机应用技术［Ｍ］．北京：北京航天航［２］丁毓山．电子式电能表与抄表系统［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００５．
［３］ＡＤＥ７７５５ＳｉｎｇｌｅＰｈａｓｅＥｎｅｒｇｙＭｅｔｅｒｉｎｇＩＣｗｉｔｈＳｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄＰｕｌｓｅＯｕｔｐｕｔ．［ＥＢ／ＯＬ］ＡＮＡＬＯＧＤＥＶＩＣＥＳ．Ｉｎｃ，２００２（ｗｗｗ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｍ）．作者简介：王
昭（１９８２－），男，山西省大同市人，北京交通大学在读硕士研究生，
（６）充分利用单片机内部看门狗。杜绝死机现象
的发生。
此外，在电路板的设计时注意合理布线，加粗地线等。
４主要技术指标
功耗：电压线路功耗≤１Ｗ，５ＶＡ；电流线路功耗≤
主要从事电力电子及电力传动方面的研究。
曾国宏，男，北京交通大学电气工程学院，副教授，硕士生导师。
收稿日期：２００６－１２－０１
１ＶＡ（标定值）；额定电压：ＡＣ２２０Ｖ；额定电流有５（２０）
（杨长江编发）
（上接第２４页）
表１
便携系统设计时参考。
参
ｍ!
１８３．
［２］秦龙．ＭＳＰ４３０单片机应用系统开发典型实例［Ｍ］．中国电力出版社，２００５：１４３－１６１．
Ｄ型镍氢电池的内阻测试结果
ｍ!
ｍ!
ｍ!
考文献
［１］金泰义．精度理论与应用［Ｍ］．中国科学技术大学出版社，２００４：１７６－
［３］魏小龙．ＭＳＰ４３０系列单片机接口技术及其设计实例［Ｍ］．北京航空航天大学出版社，２００２：２７－３６．
［４］ＴＥＸＡＸＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ．ＭＳＰ４３０４４ｘＭｉｘｅｄＳｉｇｎａｌＭｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｚ］．２００２：１－６５．
［５］ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ．ＲＥＦ１９２ｘＳｅｒｉｅｓＰｒｅｃｉｓｉｏｎＭｉｃｒｏｐｏｗｅｒ［Ｚ］．ＬｏｗＤｒｏｐｏｕｔＶｏｌｔａｇｅＲｅｆｅｒｅｎｃｅｓ，２００５：１－１０．
［６］ＴＥＸＡＸＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ．ＴＰＳ７３５０ＱＬｏｗ－ＤｒｏｐｏｕｔＶｏｌｔａｇｅＲｅｇｕｌａｔｏｒｓＷｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｔｅｄＤｅｌａｙｅｄＲｅｓｅｔＦｕｎｃｔｉｏｎ［Ｚ］．１９９９：１－１５．作者简介：
李革臣（１９４９－），男，哈尔滨理工大学教授，主要研究方向为电化学与测控技术测技术。
收稿日期：２００６－１１－１２
系列单片机作为核心处理器，外围电路使用低功耗的体积小、重量低、成本低、元器件，使系统具有低功耗、
智能化特性。整个系统工作在突发状态工作，平均电流小于３ｍＡ，满足了一些特殊现场测量的需要。本系统所涉及的一些低功耗设计方法可以为其他嵌入式
（刘家新编发）
－３３－
