基于FPGA的快速電池分選系統設計

周炯如，劉鎖蘭，何可人，諸燕平

（常州大學信息科學與工程學院，江蘇常州213164）

電動汽車動力電池組的狀態好壞和壽命長短在很大程度上決定了整車性能的優劣。動力電池組合應用不僅要求單體電池的性能指標達到規定的要求，對參與配組的單體電池性能的匹配也有嚴格的要求。通過一定的電池分選方法，在成組過程中可以檢測電池參數，其中串聯等效電阻（電池內阻）和電池電壓是最主要的兩大測試參數[1-2]。

目前常用的電池內阻測試法主要有兩種：一種是直流放電法，其放電電流大，對電池傷害大，誤差大；另一種是交流測試法，其激勵電流小，開路電壓低，干擾抑制性能強，對電池無損傷，但價格昂貴[3-6]。國外普遍使用交流測試法，如日本日置公司（HIOKI）于2010年研制的專門針對動力電池內阻的電池內阻儀。國內在交流測試法領域的研究相對落后。動力電池具有內阻小、電壓高、電流大和結構復雜的特點，特別是由于開路電壓較高，使得現有的內阻測試儀只能在電池未成組之前進行測試，而測試結果和成組后實際內阻差異較大[7-8]。

隨著電動汽車產業化進程的加速，電池參數檢測也開始由手工操作向自動化方向發展，且最新測試要求不但能測試整個電池組的內阻，同時還需測量其它參數如電壓、阻抗等。但是現有測試分選系統普遍存在測試速度慢和分選速度慢等缺陷。其中測試速度慢的主要原因是測試儀器采樣部分的積分器和AD 轉換器是分開的；此外，運算過多依賴處理器，占用太多通訊時間也影響測試效率。

基于此，本文設計了一種基于FPGA 的快速電池分選系統，主要用于整個電池組的內阻和電壓的測試，以指導分選。

1 基于FPGA的快速電池分選系統設計

設計的快速電池分選系統以硬件邏輯為基礎，內建有硬件乘法器?？刂?、運算和分選等功能均由硬件完成。硬件電路直接由FPGA 控制和協同工作，以降低響應時間，減少處理器的介入和通訊時間[4]。FPGA 只需把結果給處理器，從而可以有效提高測試和分選的效率。

1.1 系統整體結構設計及各組成部分的功能

由FPGA 產生2 kHz 的信號注入測試端，直接通過硬件判斷是否有電池接入，并把輸出信號傳遞給FPGA。當有被測電池接入時，系統將1 kHz 的恒流源注入電池。同時在電池的兩端采樣直流電壓和交流信號，通過增益將信號放大，再通過鑒相器將有用信號剝離出來，并由積分型AD 轉換器直接轉換成數字信號。FPGA 將獲取的AD 值由內部乘法器進行校準運算，運算結果直接和比較器上下限值進行比較后輸出分選結果。系統結構組成如圖1 所示。

圖1 系統結構組成

圖 1 中，FPGA 和 1 kHz 恒流源(圖 1 中 4)連接，為 1 kHz恒流源提供相位穩定的1 kHz 基準信號，1 kHz 恒流源產生的交流電流注入被測電池。

交流恒流源輸出1 kHz 的電流，用于測試電池的內阻。交流恒流源輸出2 kHz 的電流(圖1 中6)，用于檢測測試線是否完好和被測電池有沒有被接入。

比較器用于檢測被測電池是否被接入，輸出信號接FPGA。

放大器分別放大電池兩端的直流信號和交流信號，它將交流信號放大很高的倍數，直流信號保持較小的放大倍數。信號經放大后分別進入帶通濾波器（圖1 中8） 和低通濾波器（圖1 中9）。帶通濾波器濾除1 kHz 以外的低頻和高頻噪聲。低通濾波器的信號交流部分被濾波掉，剩下的直流信號為電池兩端的直流電壓信號。

檢相器的作用是將輸入信號和參考信號做乘法運算。輸入信號Vin=Am×sin(ωt+θ)；ω =2 πf(f=1 kHz)；參考信號Vref=B×sin(ωt+ψ)；Vo=Vin×Vref=Am×B×[cos(θ－ψ)+cos(2 ωt+θ+ψ)]。

當進行電阻值測試時，積分型AD 轉換器（圖1 中11）工作，積分時間為n個測試信號周期（1 ms）。AD 轉換器的轉換值由FPGA 計數獲得，然后通過內部硬件乘法器進行校準運算獲得電阻值。

本系統用于快速分選，因此電池內阻主要測量電池阻抗的電阻分量部分。電池阻抗在阻抗平面的分布如圖2 所示，是通常的容性和阻性。當ψ=0°時，積分型AD 轉換器的輸出結果為Am×B×cosθ，即阻性分量。當ψ=90°時，可獲得容性阻抗分量。對于參考信號相位角的調整可以由FPGA 實現。

當進行電池電壓測試時，積分型AD 轉換器（圖1 中12）工作，積分時間同樣是n個測試信號周期（1 ms），其轉換值也由FPGA 計數獲得，并由FPGA 完成校準運算，最后通知處理器。

須注意的是，AD 轉換器（圖1 中12）只對Vo的直流分量Am×B×cos(θ－ψ)進行積分，對交流分量Am×B×cos(2 ωt+θ+ψ)不積分。因此，用于檢測被測電池的2 kHz 恒流源（圖1 中6）產生的信號，AD 轉換器對其不積分。

對于電池電壓的測量，由于電池電壓的幅度（一般鋰電池電壓為4 V 左右） 遠遠大于施加在電池上的交流信號幅度（一般在1 mV 以內），通過低通濾波后，交流信號將進一步衰減，積分器的積分周期是測試波形周期的整數倍，因此交流測試信號衰減后的幅度對測量電池電壓無影響。

圖2 電池阻抗圖

1.2 比較器的設計

1 kHz 和2 kHz 的交流恒流源（圖1 中4 和6）輸出電流I，施加在被測物上后，恒流源的輸出電壓為；令的電壓表示形式sin(ωt+θ)。其結構如圖 3 所示，比較器 14 和 15 是電容，用于隔離直流信號；運放16 至運放19 是比較器LM339；電阻20為上拉電阻。比較器為開漏輸出。當輸入的1 kHz 交流信號幅度超過Vm或2 kHz 交流信號幅度超過Vn時，比較器輸出低；當有電池接入時，比較器輸出高。FPGA 一旦接收到高信號便判斷為有被測物接入，同時控制其它硬件電路進行協同測試。

圖3 比較器組成

1.3 積分型AD轉換器的設計

積分型AD 轉換器的設計主要利用了電荷平衡原理。積分電容對被測信號積分的電荷量Qc等于基準電流源所泄放掉的電荷Qd，同時對泄放掉的電荷進行計時。其原理如圖4 所示，其組成包括被測信號的源內阻21，基準電流源22，運放23，積分電容24，計數器25，以及過零比較器26，用于判斷電荷是否平衡。

圖4 積分型AD轉換器原理

Qc=Qd。其中，Qc=Ix×T1，Ix為被測電流，T1為積分時間；Qd=Ir×T2，Ir為基準電流，是已知量，T2為放電時間。

令被測信號Vx=R×Ix=R×Ir×T2/T1。R為信號源內阻，是已知量；T2和T1都可由 FPGA 計數獲得。所以，Vx可以轉換為相應的讀數值。

積分時間T1設計為測試信號頻率的整數倍，這樣可以有效抑制交流成分，同時得到完整的若干個信號周期的積分，使得響應更快。

2 實驗測試與分析

本文實驗均在5～25 ℃溫度范圍內，濕度＜75%rh 條件下進行。

實驗一：成組前后內阻和電壓測試。選用3個單體電池串聯成組，測試數據如表1 表示。

表1 單體電池和成組電池的電壓及內阻

從表1 中可以發現，成組后的電池組電壓基本等于3 個單體電池電壓總和，但是測得的電池組內阻均明顯大于3 個單體電池內阻總和303.43 mΩ。這主要是由于電池成組時的焊接操作導致焊接電阻產生，使得成組前后內阻出現較大差異?？梢妼﹄姵亟M進行整體測試，可準確評估實際組串內阻，對電池分選具有重要的指導意義。

實驗二：采樣時間測試。分別在超快速、快速、中速及慢速條件下，測試基于FPGA 的快速電池分選系統的采樣時間。測試數據如表2 所示。由表2 可知，最小響應時間達7 ms，因此本系統適合于產線高速分選的需求。

表2 采樣時間

實驗三：本文系統實際內阻和電壓測量范圍如表3 和表4所示。隨著量程的增大，內阻及電壓測量范圍相應增大，內阻測試范圍0.1 μΩ～3200 Ω，測量精度達0.5%。電壓測試范圍10 μV～800 V，測量精度0.01%。因此本系統可適用于大中小型成組電池內阻和電壓的測試。

表3 阻抗測量

表4 電壓測量

3 結論

本文設計的快速電池分選系統主要利用了FPGA 的高度集成化性能，簡化硬件電路，使得設備小型化。在降低功耗的同時還提高了系統的可靠性，降低系統的故障率。利用FPGA的強大功能，實現各種邏輯控制和校準運算，實現各種硬件功能的集成。工作狀態間的切換直接由FPGA 完成，從而有效縮短了與處理器的通訊時間。利用電荷平衡原理設計的積分型AD 轉換器，將積分器和AD 轉換器合為一體，極大地提高了響應速度。系統操作簡便，分選參數靈活可變電，電阻和電壓有多個量程可選，因此可分別配置成多檔，操作實用性更強，滿足動力電池生產企業對相關參數的測量需求。

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