儲(chǔ)開(kāi)斌，陳樹(shù)越，何寶祥

(常州大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 常州 213164)

蓄電池作為后備電源，已廣泛地應(yīng)用在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、電子、電動(dòng)車等領(lǐng)域。如果蓄電池失效或容量不足，就有可能造成重大事故[1]。同時(shí)隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，作為電動(dòng)汽車核心部件之一的蓄電池也將有著更廣的發(fā)展和應(yīng)用前景。因此有必要對(duì)蓄電池的運(yùn)行參數(shù)和性能進(jìn)行全面的檢測(cè)。

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上現(xiàn)有的蓄電池性能檢測(cè)設(shè)備絕大部分功能不完善，測(cè)量精度低。國(guó)外進(jìn)口的蓄電池檢測(cè)設(shè)備雖然功能全，但是價(jià)格昂貴，因此研制一款測(cè)量精度高、功能完善和性價(jià)比合理的蓄電池性能測(cè)試設(shè)備，對(duì)于電動(dòng)汽車及大量使用蓄電池系統(tǒng)的領(lǐng)域有著重要的作用和意義。該蓄電池容量性能測(cè)試儀能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的容量及性能進(jìn)行檢測(cè)，生成蓄電池的性能參數(shù)報(bào)告。借助該測(cè)試報(bào)告，可找出影響蓄電池使用性能的因素，為蓄電池的使用及蓄電池的性能改善、技術(shù)改進(jìn)、維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命及續(xù)航能力有著重要的作用和意義。

1 系統(tǒng)測(cè)試原理

蓄電池容量性能測(cè)試儀主要用于蓄電池生產(chǎn)企業(yè)實(shí)驗(yàn)室或質(zhì)監(jiān)局抽檢蓄電池的容量、壽命等參數(shù)，對(duì)精度要求非常高。蓄電池容量測(cè)試方法很多：有核對(duì)放電法、內(nèi)阻測(cè)試法等。該測(cè)試采用公認(rèn)精確度高的核對(duì)放電（AH）法測(cè)量。壽命測(cè)試采用循環(huán)充放電測(cè)試法，根據(jù)容量小于標(biāo)準(zhǔn)值的百分比來(lái)計(jì)算壽命。

系統(tǒng)主要包括充電模塊、放電模塊及系統(tǒng)控制等組成。充電模塊含：恒壓充電、恒壓限流充電、恒流充電及恒流定時(shí)充電，放電模塊含：恒流放電、恒功率放電及恒電阻放電等功能。測(cè)試時(shí)，根據(jù)蓄電池的類型及測(cè)試指標(biāo)設(shè)置工作流程及參數(shù)。

容量測(cè)試，以恒流放電方式為例。先對(duì)蓄電池充滿電，靜置一段時(shí)間后，再對(duì)其進(jìn)行放電，放電電流穩(wěn)定在設(shè)定值。放電過(guò)程中每隔一分鐘（時(shí)間可設(shè)定）采樣一次電壓和電流值，隨著電池不斷放電，電壓逐漸下降，當(dāng)電壓下降到設(shè)定的放電下限電壓值時(shí)，放電過(guò)程完成。此時(shí)，便可根據(jù)放電電流及放電時(shí)間計(jì)算該蓄電池的容量。并與標(biāo)準(zhǔn)值比較，判斷其性能是否符合要求[2]。

壽命測(cè)試是通過(guò)循環(huán)充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于充電方式的不同對(duì)蓄電池壽命的影響較大，所以在測(cè)試時(shí)采用較成熟的三段式充電方式。首先對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流限壓充電，當(dāng)電壓上升到一定值時(shí)，再轉(zhuǎn)入恒壓充電，當(dāng)恒壓充電的充電電流小于設(shè)置值時(shí)，轉(zhuǎn)入涓流充電，直至充電完成。將蓄電池放置約十分鐘左右，再對(duì)其進(jìn)行放電。如此反復(fù)進(jìn)行，直到檢測(cè)到電池總?cè)萘啃∮谠O(shè)定值時(shí)，則蓄電池的壽命終了。通過(guò)充放電循環(huán)的次數(shù)、蓄電池的壽命及測(cè)試曲線、結(jié)果等相關(guān)信息來(lái)分析蓄電池的壽命。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由DSP控制模塊、電壓電流檢測(cè)模塊、充放電電流控制模塊、時(shí)鐘電路、上位機(jī)通信模塊、液晶顯示及打印驅(qū)動(dòng)模塊等組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2.1 DSP控制模塊

為了滿足電壓及電流測(cè)試精度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、在線顯示與報(bào)警、上位機(jī)通信及打印等功能等要求，微控制器采用TI公司推出的TMS320F2812定點(diǎn)32位DSP芯片。TMS320F2812工作頻率達(dá)到150 MHz，具有強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理器能力和嵌入式控制能力，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制算法。器件上集成了許多先進(jìn)的外圍設(shè)備，包括：JTAG邊界掃描接口、時(shí)鐘和系統(tǒng)控制電路、外圍中斷擴(kuò)展模塊、3個(gè)32位CPU定時(shí)器、兩個(gè)異步通信接口SCI、串行外設(shè)接口SPI、增強(qiáng)型CAN總線、SPI模式的多通道緩沖串口McBSP、12位16通道A／D轉(zhuǎn)換器、56個(gè)獨(dú)立可編程的多路通用輸入／輸出(GPIO)引腳等[3]。TMS320F2812處理前級(jí)送來(lái)的電壓電流信號(hào)，對(duì)蓄電池充放電電流精確控制。并根據(jù)測(cè)試參數(shù)計(jì)算容量，分析蓄電池性能，生成測(cè)試報(bào)表。

2.2 電壓電流檢測(cè)模塊

電壓電流采集模塊由信號(hào)調(diào)理電路及模／數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換電路組成，電路如圖2所示。信號(hào)調(diào)理電路選用TI公司的OP07，電路結(jié)構(gòu)采用差分式減法電路。該電路結(jié)構(gòu)不僅可以抑制蓄電池本身的共模信號(hào)，而且可以抑制測(cè)試環(huán)境中的干擾信號(hào)，性能優(yōu)越。

圖2 電壓電流檢測(cè)電路

電壓跟隨器，作為放大電路與A/D轉(zhuǎn)換器的中間隔離級(jí)，降低測(cè)量誤差。A/D使用TMS320F2812內(nèi)置12位A/D，不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，而且節(jié)省了儀器成本[4]。

2.3 充放電模塊

充放電模塊是系統(tǒng)的核心，用于充放電時(shí)對(duì)充放電電流進(jìn)行精確控制。由D/A及三極管電路組成，電路如圖3所示。

圖3 充放電控制電路

TLV5618是兩通道12位串行D/A轉(zhuǎn)換器，一個(gè)通道控制放電電流，一個(gè)通道控制充電電流。充電電流控制電路由三極管T1～Tn組成。R1～Rn串聯(lián)于三極管發(fā)射極，用于平衡并聯(lián)三極管參數(shù)的差異性。二極管用于極性保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出充電指令后，三極管導(dǎo)通，經(jīng)市電整流濾波后的直流電源VCC通過(guò)三極管對(duì)蓄電池充電。取樣電阻R0將充電電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)調(diào)理電路放大后送入A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，與設(shè)定的電流值進(jìn)行比較，若比較結(jié)果不一致，則DSP輸出一個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后，送到三極管基極，控制基極電流，從而控制集電極的充電電流，通過(guò)對(duì)其大小進(jìn)行調(diào)整，最終使充電電流與設(shè)定值達(dá)到一致。

放電電流控制電路與充電電流控制電路相似，由三極管T11～T1n組成放電。每路三極管的發(fā)射極串聯(lián)一阻值為20 Ω的大功率電阻，作為放電回路的負(fù)載。放電電流也是由取樣電阻R0檢測(cè)，放電電流的大小由DSP經(jīng)D/A控制三極管的基極電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。但由于充電流與放電電流方向相反，所以在電流調(diào)理電路中，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)對(duì)電流信號(hào)實(shí)現(xiàn)極性轉(zhuǎn)換，然后再送到A/D中。

該測(cè)試儀的充放電模塊采用線性方案，以減小誤差，結(jié)果更加真實(shí)。保證了蓄電池容量及壽命的測(cè)試精度。由于系統(tǒng)工作于線性狀態(tài)，充放電電流較大，所以功率損耗大，在設(shè)計(jì)中加入散熱裝置，以保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定地工作。

2.4 時(shí)鐘電路

對(duì)于蓄電池的壽命測(cè)量，需要經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間多循環(huán)充放電才能實(shí)現(xiàn)。在循環(huán)充放電過(guò)程中，需要在充電及放電后靜置一段時(shí)間，整個(gè)測(cè)試過(guò)程可能需要幾天甚至十幾天，測(cè)試中要記錄充放電時(shí)間及循環(huán)次數(shù)等參數(shù)，這就要求系統(tǒng)有精確計(jì)時(shí)功能。系統(tǒng)采用專用DS12C887時(shí)鐘芯片，作為數(shù)據(jù)采集、定時(shí)及實(shí)時(shí)控制提供精確地時(shí)間基準(zhǔn)和同步信號(hào)[5]。

2.5 上位機(jī)通信模塊

RS-485通信具有控制芯片成本低廉、技術(shù)成熟、支持半雙工通信方式，只需采用2條平衡差分信號(hào)線就可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)的發(fā)送和接收，并支持多點(diǎn)連接，允許創(chuàng)建多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。該形式的網(wǎng)絡(luò)可將所有設(shè)備并聯(lián)掛接在兩條通信總線上，極大地增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)組成的靈活性。從網(wǎng)絡(luò)增加或移除一個(gè)設(shè)備時(shí)，只需將該設(shè)備從通信總線接入或斷開(kāi)，不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和其它設(shè)備的正常工作。為實(shí)現(xiàn)多個(gè)蓄電池容量性能測(cè)試儀網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試，系統(tǒng)與上位機(jī)采用RS-485通信接口，上位機(jī)軟件可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)測(cè)試儀發(fā)送測(cè)試命令，同時(shí)回收多個(gè)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)較少的主控機(jī)的接口資源便可以管理盡可能多的設(shè)備。通過(guò)該接口實(shí)現(xiàn)多臺(tái)儀器的組網(wǎng)及數(shù)據(jù)上傳功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)分DSP軟件及上位機(jī)軟件兩部分。

3.1 DSP軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)，DSP對(duì)各路電壓、電流采樣，并實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，控制充放電電流大小、充放電時(shí)間，記錄測(cè)試過(guò)程中的電壓與電流參數(shù)等功能。流程圖如圖4所示。系統(tǒng)先執(zhí)行初始化程序；啟動(dòng)A/D，將各通道電壓與電流數(shù)據(jù)讀出；判斷是否有上位機(jī)標(biāo)志，處理上位機(jī)命令或傳送數(shù)據(jù)至上位機(jī)；將各通道數(shù)據(jù)在液晶屏顯示；再判斷是否有按鍵按下，根據(jù)不同鍵值轉(zhuǎn)相應(yīng)子程序。圖5為充放電電流閉環(huán)控制流程圖。

圖4 系統(tǒng)主流程圖

圖5 充放電電流控制流程圖

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀具有單機(jī)及上位機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作兩種方式。當(dāng)測(cè)試儀與上位機(jī)相連時(shí)，上位機(jī)可直接發(fā)送測(cè)試命令，接收和處理測(cè)試數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件采用VC++6.0開(kāi)發(fā)完成，可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)測(cè)試儀進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)控制，發(fā)送測(cè)試命令，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、測(cè)試流程。同時(shí)采集多個(gè)測(cè)試儀的測(cè)試數(shù)據(jù)包括電壓、電流、循環(huán)次數(shù)等，并保存。該系統(tǒng)對(duì)蓄電池測(cè)試時(shí)的界面及結(jié)果如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件及測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

本測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)了蓄電池的容量與壽命等指標(biāo)的測(cè)試。測(cè)試精度高，穩(wěn)定性及精度都符合國(guó)標(biāo)對(duì)蓄電池性能測(cè)試的要求。為研究分析和評(píng)價(jià)蓄電池的性能進(jìn)行全面的檢測(cè)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景?？蓮V泛應(yīng)用于各類動(dòng)力電池、后備電池的質(zhì)量檢測(cè)，蓄電池售后、汽車4S店等對(duì)蓄電池質(zhì)量檢測(cè)服務(wù)，蓄電池配組指標(biāo)檢測(cè)以及電力、電信、交通等進(jìn)行待測(cè)蓄電池容量壽命檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)合。

[1]孫紅輝，徐海波，綦海龍，等.智能蓄電池性能測(cè)試儀的研制[J].中國(guó)儀器儀表，2004（9）：18-20.

[2]RUDDELL A J，DUTTON A G，WENZL H.Analysis of battery current microcycles in autonomouss renewable energy systems[J].Journal of Power Source，2002，112：531-546.

[3]宋雨潭.DS12C887及其在智能化儀器儀表中的應(yīng)用[J].黑龍江水專學(xué)報(bào)，2002(9)：87-89.

[4]MOSELY P T.Characteristic of a high-performence lead/acid battery for electric vehicles-an ALABC view[J].Journal of Power Source，1997，67：115-119.

[5]LUISA SORIA M，VALENCIANO J，OJEDA A.Development of ultra high power，valve-regulated lead-acid batteries for industrial applications[J].Journal of Power Source，2004，136：376-382.