不平衡电桥法电池内阻测量装置的原理与设计

李舒晨

(陕西渭南师范学院物理系714000)

　　摘　要　介绍不平衡电桥法测量电池内阻装置的原理及设计Λ不平衡电桥法测量电池内阻利用电池本身的电动势在电桥一对对角点间产生的直流电压,在给定条件下不随另一对对角点间放电电流大小变化的特点构成的Λ测量装置不需在电桥上施加信号源,电桥的平衡指示信号取自对角点电压及等效电阻的变化成分Λ关键词　电池内阻　不平衡电桥　等效电阻

　　测量电池内阻的方法以及设备在工程中有

重要价值Λ测量电池内阻的简易方法为加载降

压法或短路电流法〔1〕,精确测量可使用补偿原

理,或搭接电路用不平衡电桥法完成〔2〕,也可使

用交流电流法构成的专用测量装置实现快速直

读测量〔1〕Λ本文介绍用不平衡电桥原理构成专

用测量电池内阻装置的原理和设计方法Λ

不平衡电桥法测量电池内阻的原理如图

1(a)所示Λ其中R01,R02,R03为电桥内设电阻,

R x为含电动势E的电池内阻Ζ电阻R00和开关

K跨接在电桥A至B之间Ζ根据戴维南定理,

从N,G两点看去,可有图1(b)所示的等效电

路Λ其中E0为开路电压,R0为等效电阻

Ζ

图1　不平衡电桥电池内阻测量原理图

可以证明〔2〕,当电路满足电桥平衡条件

R02 R01=R03 R x(1)时,上述等效电路电压源E0和等效电阻R0均不因开关K的接通与断开状态而改变,即在开关K接通和断开状态下均有

E0=E〔(R01+R02) (R01+R02+R03+R x)〕= E〔R01 (R01+R x)〕(2)

R0=(R01+R02)∥(R03+R x)=

(R02∥R03)+(R01∥R x)(3)　　用上述原理在实验室测试电池内阻时,只要在N,G之间接入一只直流电流表,反复接通和断开开关K,并调节R01或R02,直到开关状态变化时电流表读数不变,此时便可依下式算出电池内阻Ζ

R x=R01(R03 R02)(4)　　将上述测量过程中使用的开关用电子开关取代,并用周期性电压控制开关反复通断Ζ将N,G间的短路电流转换为电压信号,并在开关通断期间对电压信号分别进行采样保持形成两路电压,最后对两路电压进行差分放大送至平衡电压指示表,这就构成一个用不平衡电桥原理测量电池内阻的装置Ζ

图2为按上述原理构成的电池内阻测量装置参考电路原理图Ζ图中T5为可控电子开关Λ除电桥电路以外,测量电路包括数字部分和模拟部分Λ

数字部分产生各部分的控制信号:G1,G2及相关电阻电容组成振荡器,产生低频方波信号,是系统的控制信号源,实现放电开关切换控制、采样保持控制等Λ经G3隔离后的方波信号再经G4反相形成相位相反的两路电压U C1, U C2,再分别经R33,C7及R34,C8积分延时,经G6,G7,G8,G9整形,通过两路微分电路C9,R35及C10,R37触发两个单稳态电路ΖG10,G11,C11, R36以及G12,G13,C12,R38分别为两组单稳态电

图2　不平衡电桥法电池内阻测量装置参考电路原理图

路,其中阻容元件参数决定暂稳脉冲宽度1G 5输出的方波U C0用于反复通断三极管开关T 5;G 11及G 12输出的脉冲U C3及U C4通过三极管开关T 6及T 7反复对A 3输出的信号进行采样Λ为满足三极管开关控制极电压的需要,上述三路输出数字信号经由A 9,A 10以及A 11三个运算放大器及D 4,R 39组成电路完成控制电压变换,产生U C7,U C5,U C6分别加至T 5,T 6和T 7Λ各部分控制信号的波形如图3所示

Λ

图3　控制信号波形图

模拟部分完成电桥短路电流的变换及平衡指示:A 2,T 1,T 2,T 3,T 4,R 1及相关电路将电桥N ,G 间短路电流变为电压,其中T 1～T 4为A 2

的电流输出扩展ΛA 3是一级反相加法放大器,A 1,A 4,D 3,T 8是电压幅度调节电路,A 1通过对待测电池电压的监测产生对T 8的控制信号,使A 4输出电压极性随电池电压极性变化并与A 2

输出电压极性相反,使A 3输出电压绝对值减小ΛA 5,A 6,T 6,T 7构成两个采样保持电路,分别在桥路开关T 5接通和断开的时段内对与电桥短路电流相关的电压信号采样并保持,再经差分电路A 7输出,经低通滤波送A 6放大送至电压表作平衡指示Λ

各部分电路元件参数参考值:

1)电桥电路　R 01=108,R 02=1k 8,R 03为电阻箱,R 00=0;T 5∶3DO 1D 2H Λ

2)电流电压变换电路　R 1=5108,R 3=R 7

=47k 8,R 4=R 6=417k 8,R 5=8208电位器,

R 8=R 9=12k 8,R 10=R 11=118;C 1=C 2=

100ΛF ;T 1和T 2∶3D G 2B ,T 3和T 4∶3CG 2B ;

A 2∶F 31401

3)极性与幅度控制电路　R 21=20k 8,R 22

=1k 8,R 20=2k 8,R 16=R 17=R 18=10k 8,R 19=313k 8;D 1和D 2∶稳压管(12V ),D 3∶2DW 233

4)反相加法放大电路　R12=R14=10k8, R13=20k8;A3∶F0071

5)采样保持电路　R23=R32=10k8;C3= C4=500～1000nF;T6,T7∶3DO1D2H;A5, A6∶F31401

6)差分放大电路　R24=R25=R26=R27= 10k8;A7∶F0071

7)低通输出电路　R28=R29=200k8,R30 =10k8,R31=10～200k8;C5=C6=400nF; A8∶F31401

8)控制信号变换电路　R39=313k8;D4∶2DW233(516V);A9,A10,A11∶F0071

9)数字部分　G1～G5∶74HC04;G6～G9∶74HC04(C M O S六反相器);G10～G13∶74HC08(C M O S四或非门)1

10)振荡器参数　振荡周期T=114R32C13, T取20m s时R32=51k8,C13=286nF1

11)采样控制时间参数

积分延时:R33C7=R34C8=T 20,R33=R34 =51k8,C7=C8=15nF;

微分脉冲:R35C9=R37C10=T 40,R25=R37 =51k8,C9=C10=8nF;

采样时间:T W=017R36C11=017R38C12= T 4,R36=R38=51k8,C11=C12=150nF1

12)电源　E+=+15V,E-=-15V,E D= +15V1

设计和调试中需要注意的问题:

1)电桥电阻R01,R02,R03的选择影响测量灵敏度,还影响电池放电程度以及测量结果的读数,应作全面权衡后选择Ζ按本文所给参数,平衡条件下R03所给电阻值为电池内阻的100倍Ζ

2)电阻R00对电桥灵敏度及电池放电有直接影响,由于选用M O SFET三极管开关,其导通电阻为几十8数量级,R00可选零电阻Ζ

3)A2输出电流扩展是必要的ΛR1大对灵敏度有利,但应避免运放超出线性工作范围Ζ

4)A3有电压增益,可提高电路灵敏度Λ由于A4输出电压总与加入A3的另一路电压反极性,这就相当于将电流电压变换输出的电压向相反极性方向移动(516V),为放大有用信号提供了余地Λ

5)采样保持所用运放A5和A6应有高的输入阻抗,本文建议使用全补偿M O SFET管作输入级的运放F3140Λ两只运放应有调零装置Λ积分电容C3和C4应使用低漏电高稳定的电容器Ζ采样开关三极管使用无残余电压,导通电阻小,关断电阻大的N沟道夹断型M O SFET管Λ

6)A7要求高稳定低漂移加调零装置ΛR24, R25,R26,R27要尽可能对称以提高平衡指示精度Ζ

7)A8应选稳定性高失调小的运放,且加调零装置Λ放大倍数应可调节,粗测用小放大倍数,精测用大的放大倍数Λ

8)使用C M O S数字电路,振荡频率不宜过高,本文以50H z为参考Λ积分延时电路时间常量、微分电路时间常量以及单稳脉宽时间常量均应有合理选择,使采样处于开关稳定阶段,且两路采样时间对称Λ

参考文献

1　李舒晨Λ电池内阻测试方法的改进Λ物理实验, 1996,16(4):181～182

2　黄义清Λ不平衡电桥法测电池内阻Λ佛山科学技术学院学报(自然科学版),1999,17(2):63～66

(2000205215收稿)