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绪论
电池作为电源，已广泛的应用于工业生产、交通、通信等行业。如果电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故，所以必须对电池的运行参数进行全面的在线监测。电池状态的重要标志之一就是它的内阻。不同类型的电池内阻不同。相同类型的电池，由于内部化学特性的不一致，内阻也不一样。正常情况下，内阻小的电池的大电流放电能力强，内阻大的电池放电能力弱。无论是电池即将失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此可以通过测量电池内阻，对其工作状态进行评估。为了更好地掌握所学的专业知识，做到理论与实际相结合，我选择手持电池测试仪作为这次论文的设计对象。这不仅使我们对专业知识学有所用，更重要的是在一定程度上提高了我们的逻辑思维和动手操作能力，从而对这种技术有一个深入的了解；另外，也可使我们对单片机应用技术，单片机与I/O接口及C语言程序的设计等知识有更进一步的掌握。
从上个世纪开始，测量电池的内阻，工程上应用的最为广泛的两种方法是直流放电法和交流注入法。直流放电法是由电池组产生一个瞬间负载电流，然后测出电极柱上电压的瞬间负载电流，然后测出电池在接通了负载后几秒钟内电池端电压和流过电池电流发生的变化。通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可以推导出电池的直流内阻，这种方法电路中需要在瞬间让电池放出大电流，需要较大的负载，瞬间发热十分可观，不易被设计成便携式仪表，因此该方法已被淘汰；交流注入法是用一个交流源注入几十毫安的电流到电池内部，然后测出电池极柱上的响应，通过欧姆定律计算得到电池阻抗。该方法无需放电负载，电流较小，容易做到体积小、省电、便携，使用相敏检测，测量精密高，速度快，适用范围广，测量精度高，对蓄电池的损害小，可以对蓄电池进行安全的在线监测管理，是目前通用方法。因此，本文最终选择使用交流注入法来实现电池内阻测试电路的设计。
本课题应解决的主要问题是相敏检测技术在电测性能测试中的应用，以及检测信号采集调理、处理和数据显示功能。
课题的主要技术指标和要求：
(1)能够正确测量、显示外接电池的内阻及其电压大小,能够手动选择量程并且测量需要达到±1%以内的精度要求；
(2)需要满足手持设备的要求，可以对其内部可充电电池进行充电操作,并且实时显示当前所处的充电状态；
(3)能够自动记忆上次关机或断电操作之前仪器所使用的量程。
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1 电池及其测试技术
1.1 电池性能及内阻
电池是贮存化学能量，于必要时放出电能的一种电化学设备，常见的电池有铅蓄电池和碱性电池。铅蓄电池由阳极(PbO2)、阴极(Pb)和电解液(稀硫酸)组成，碱性电池是以二氧化锰为正极，锌为负极，氢氧化钾为电解液，较碳性电池来说更优异，电容量大。影响电池性能的主要因素有：环境温度，环境湿度，灰尘等。
电池状态的重要标志之一就是它的内阻，不同类型的电池内阻不同。电池内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。相同类型的电池，由于内部化学特性的不一致，内阻也不一样。正常情况下，内阻小的电池的大电流放电能力强，内阻大的电池放电能力弱。由欧姆内阻与极化内阻两部分组成。电池内阻大，会导致电池放电工作电压降低，放电时间缩短。内阻大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响。是衡量电池性能的一个重要参数。一般以充电态的电池内阻为标准内阻，且测量电池的内阻需用专用内阻仪测量，而不能用万用表欧姆档测量。电池内阻将随着使用时间的增长而不断增大,它会引起供电电压不稳定,以致影响使用电池供电的电子系统和电子仪器仪表装置正常工作。无论是电池即将失效、容量不足或是充放电不当，都能从它的内阻变化中体现出来。因此可以通过测量电池内阻，对其工作状态进行评估。
电池还有一个重要的特性是极化现象，当电池有电流通过，使电极偏离了平衡电极电位的现象，称为电极极化。在电极单位面积上通过的电流越大，偏离平衡电极电位越严重。凡失去电子，属氧化反应，得到电子属还原反应。阳极电流产生的电极极化叫作阳极极化；阴极电流产生的电极极化叫阴极极化。一般极化现象在过充电和过放电的情况下比较严重，因此在使用中需要避免这种情况的出现。
1.2 电池测试技术及其发展
从上世纪开始，测量电池的内阻，工程上应用的最为广泛的方法主要有以下两种方法：
（1）直流放电法是由电池组产生一个瞬间负载电流，然后测出电极柱上电压的瞬间负载电流，然后测出电池在接通了负载后几秒钟内电池端电压和流过电池电流发生的变化。通过负载接通时的瞬间电压降和断开负载时的瞬间电压恢复便可以推导出电池的直流内阻。
（2）交流注入法是用一个交流源注入几十毫安的电流到电池内部，然后测出电池极柱上的响应，通过欧姆定律计算得到电池阻抗。
直流放电法电路中需要在瞬间让电池放出大电流，需要较大的负载，瞬间发热十
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分可观，不易被设计成便携式仪表，并且大电流检测对电池有一定损伤而且精度不高，因此该方法已被淘汰；而方案二中的交流注入法无需放电负载，电流较小，容易做到体积小、省电、便携，使用相敏检测，测量精密高，速度快，是目前通用方法。
2 方案设计与论证
2.1 产品的性能指标和功能要求
本课题需要设计电池测试仪，要求该电池测试设备具有以下性能：性能可靠、测量准确、结构简单、造价低廉等特点,并兼具制作简捷、使用灵活、抗干扰性好、可移植性强等优点,可在工程实际中得到应用。相关性能指标见表2-1-1：
表2-1-1 电池测试仪的技术参数
名称 电池电压 充电电源 充电电流 单位 V V mA mΩ 数据(量程) 9.6(1.2×8) 18 ≤300 0-20 20-200 交流内阻测量范围 Ω 0.2-2 2-20 20-200 电池电压测量范围 V 0-4 4-40 电池内阻测量精度 电池电压测量精度 工作温度 工作湿度 % % ℃ RH ±1 ±1 -25-45 20%-80% 共 24 页 第 3 页
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电池测试仪的功能：
1.电压量程自动切换，无需再手动干预；能够显示当前电池内阻和电压测试所处
的档位。
2.满足手持设备的要求，可以对其内部电池进行管理,并且实时显示当前所处的充电状态；
3.定时无按键动作关闭液晶背光以节约电能；
2.2 总体方案设计
2.2.1 方案一
采用直流放电法实现电池内阻和电压的测量及显示，该方案设计的电路实现较为简单，操作简易，即使在注入电流比较小的情况下，响应也不会太微弱，不易被噪声干扰或淹没，但其测量瞬间电流约有几十安培，发热十分可观，如此的大电流检测对电池有一定损伤而且测量精度不高，并且不易被设计成便携(手持)式仪表。原理框图见图2.2.1：
计算R=U/I 单片机(MCU)进行A/D采样 被测电池 恒流源(40-80A)开关放电 放大电路 图2.2.1 方案一原理框图
2.2.2 方案二
采用交流注入法用一个交流信号激励源注入几十毫安的电流到电池内部，测出电池极柱上的响应电压，其优点是电池种类不受限制，测量时间短，一般在100ms，用小电流检测对电池损害小，可以在线检测电池，无需放电负载，电流较小，容易做到体积小、省电、便携，使用相敏检测，测量精密高，速度快，是目前通用方法，由于需要满足手持要求，该电池测试仪内部采用可充电电池供电，对DC-DC转换和能耗提出很高的技术要求，测试仪器专门配置了智能充电器对电源进行充放电管理，此外使用积分电路和单片机的A/D采样，使得单片机及时获取外部电路的电流电压等数据信息。最后通过液晶显示系统状态。原理框图2.2.2如下：
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图2.2.2 方案二原理框图
2.3 方案论证
综上所述，对比方案一与方案二，方案一的直流放电法电路中需要在瞬间让电池放出大电流，需要较大的负载，瞬间发热十分可观，不易被设计成便携式仪表，并且大电流检测对电池有一定损伤而且精度不高，因此该方法已被淘汰；而方案二中的交流注入法无需放电负载，电流较小，容易做到体积小、省电、便携，使用相敏检测，测量精密高，速度快，是目前通用方法。但方案二在注入电流较小的情况下，响应会十分微弱，容易被噪声干扰。因此我们应用放大器和有源滤波器以准确测得电池两端的响应，本文最终选择使用方案二的交流注入法来实现电池内阻测试电路的设计。
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