陳煒鋼,李 宏

(寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院,浙江 寧波 315020)

電池保護板測試儀是一種能夠準確測量電池保護板參數(shù)的儀器，其功能主要包括測試過充保護電壓值、過放保護電壓值、過電流保護值、靜態(tài)電流等重要性能指標參數(shù)?，F(xiàn)在對電池保護板測試儀的要求越來越高，而電池保護板測試儀的關(guān)鍵部分就是電池模擬器的開發(fā)。因為如果直接用真實的電池對保護IC進行過充電電壓或過放電電壓測試，則完整地檢測一個電池從充電到放電不僅需要花很長時間，而長時間充電顯然會使生產(chǎn)效率下降，而且由于電池固有的特性，這樣反復(fù)的充放電很容易使其壽命縮短甚至永久的損壞。所以需要用電池模擬器來模擬這個過程。

目前現(xiàn)有的電池模擬器具有如下缺點：(1)模擬對象單一，只能模擬一種特定的電池；(2)不能任意設(shè)定輸出電壓；(3)無法模擬多節(jié)串聯(lián)的電池，如果同時模擬多節(jié)電池時，需要多臺電子負載與穩(wěn)壓電源連接。

本文給出了一種可串聯(lián)的用于電池保護板測試裝置的電池模擬器的設(shè)計方案。該電池模擬器可以有效解決以上不足，在模擬多節(jié)電池串聯(lián)時操作簡單，且模擬精度高，使用范圍廣，有很好的應(yīng)用性。

1 電池模擬器工作原理

本文給出的電池模擬器的輸出電壓為0～5 V可調(diào)，分辨率1 mV，精度0.1%±3個字。電池模擬器的實質(zhì)為輸出電壓受控的直流穩(wěn)壓電源,其輸出電壓變化的規(guī)律與所需模擬的電池的特性一致。電池模擬器的控制原理框圖如圖1所示。

該電池模擬器主要由STM32控制模塊、通信模塊、電壓產(chǎn)生模塊、ADC模塊和電源模塊構(gòu)成?？刂颇K的作用主要有電壓設(shè)定、輸出電壓、電流等參數(shù)的采集、監(jiān)測、調(diào)節(jié)等。其性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理能力強，滿足電池模擬器速度和精度的要求。

通信模塊主要包括RS485接口和隔離電路，其作用在于提供與外部控制器的數(shù)據(jù)交換接口。電壓模塊用于使電池模擬器的輸出電壓可任意調(diào)節(jié)[1]。

圖1 電池模擬器原理框圖

ADC模塊將輸出電壓、電流信號進行差分放大后變成能夠處理的模擬信號，將此模擬信號通過ADC轉(zhuǎn)換后送到控制模塊做處理。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 通信模塊

該電池模擬器的通信模塊主要由RS485接口和隔離電路構(gòu)成。電路圖如圖2所示,圖中的控制器是指通過RS485與電池模擬器進行數(shù)據(jù)交換的模塊，不屬于電池模擬器。

圖2 通信模塊電路圖

在實際應(yīng)用中由于情況十分復(fù)雜，且各個節(jié)點間參考地的不同，會存在較高的共模電壓。雖然RS485接口采用的是差分傳輸方式，但是在超過其接收器的共模電壓范圍(小于-7 V或大于12 V)后會使設(shè)備無法正常工作，嚴重時甚至?xí)龤гO(shè)備。所以采用DC-DC隔離模塊將系統(tǒng)電源與RS485通信電源隔離，再用高速光耦將信號隔離，這樣可以有效地消除共模電壓的影響[2]。

2.2 電壓產(chǎn)生模塊

該電池模擬器設(shè)計適用多類電池，由于燃料電池的電壓范圍為0～1.229 V，鎳氫電池電壓范圍為0～1.4 V，鉛酸電池的電壓范圍為0～2 V，鋰電池電壓范圍為0～4.2 V。而電池模擬器的輸出電壓設(shè)置為0～5 V可調(diào)，分辨率1 mV，精度0.1%。若采用傳統(tǒng)的數(shù)字電位器控制電壓，則電壓精度不能滿足需求。所以該電池輸出模塊由STM32模塊通過SPI來控制DAC7611輸出電壓以實現(xiàn)任意電壓可調(diào)，再由放大電路放大輸出電壓值。電壓產(chǎn)生模塊電路如圖3所示。

圖3 電壓控制電路

DAC7611是 12位的串行高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，1 mV/LSB，滿量程輸出4.095 V，內(nèi)部參考電壓為 2.435 V。此電壓輸出模塊電路簡單，且在速度和精度上都能滿足設(shè)計要求。放大電路的主要作用是增大輸入阻抗、降低輸出阻抗從而提高電壓輸出能力。放大電路主要由集成放大器組成。由于電壓精度的要求，集成運算放大器應(yīng)該具有合適的輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流，比如集成運算放大器有20 nA的偏置電流，這個電流流到外面電阻，即使是kΩ級的，也會產(chǎn)生幾十μV的失調(diào)電壓。這里還需要考慮的影響電路的因素有輸入失調(diào)電壓及共模抑制比。這些參數(shù)若選擇不當,則會產(chǎn)生超過1 mV的電壓誤差，這將直接影響電壓產(chǎn)生模塊的輸出電壓精度。如圖3所示，電路引入電壓串聯(lián)負反饋，故認為其輸入電阻無窮大，由“虛短”和“虛斷”的概念可以求出輸出電壓為：

SHT11溫濕度傳感器是瑞恩公司推出的一款集溫濕度檢測于一體的傳感器I2C器件，具有免調(diào)試、 免標定、 測量分辨率可編程調(diào)節(jié)(8/ 12/ 14 位數(shù)據(jù)) 和超小封裝尺寸等特點；可以進行溫度補償?shù)臐穸葴y量；在測量溫濕度的同時可以測量露點，輸出為數(shù)字信號，很適合與單片機等控制器件結(jié)合組成智能溫濕度測量系統(tǒng)。SHT11有4個管腳，其中1個接電源，1個接地，1個時鐘管腳，一個數(shù)據(jù)管腳。

其中DN是DAC輸入數(shù)字量。

2.3 ADC模塊

ADC模塊主要由電壓輸出采樣電路和靜態(tài)電流采樣電路組成。電壓輸出采樣電路如圖4所示。

圖4 電壓輸出采樣電路

由于電壓精度的要求，STM32模塊ADC的基準電壓采用外部基準源，由于外部基準源的溫度漂移典型值為2 ppm/°C，所以在溫度變化范圍為 0℃～+70℃(以 25℃為基準點)內(nèi)，有：

由于電池模擬器的輸出范圍在0～5 V，而ADC的基準電壓為3 V，所以需要在電壓產(chǎn)生模塊的輸出上疊加一個2 V的直流分量，而且這個直流分量必須足夠穩(wěn)定。隨后將這兩個電壓由差分放大器件按一定比例放大后作為STM32內(nèi)部ADC的輸入電壓。

靜態(tài)電流采樣電路主要用來測試該電池模擬器的自耗電。其原理是采用高端電流檢測[3]，再用差分放大器將采樣電阻兩端的差值電壓放大，最后送入ADC。其電路如圖5所示。

圖5 電流采樣電路

電路的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為：

由ADC轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字量，根據(jù)ADC位數(shù)與參考電壓可求出此時的電壓值，通過電壓值與采樣電阻的值就可以求得靜態(tài)電流的值。ADC使用STM32內(nèi)部集成的12位 ADC，該 ADC具有16個輸入信號通道，通過配置采樣序列寄存器，這些通道能以任意的順序輪流進行采樣。該ADC還具有自動校驗功能，可以顯著減小采樣的誤差[4]。

2.4 電源模塊

電池模擬器的電源模塊采用典型的整流、濾波、穩(wěn)壓方式，這樣設(shè)計的好處在于電路簡單、容易實現(xiàn)而且線性電源的紋波小。同時由于多節(jié)電池的可串聯(lián)，若系統(tǒng)地與通信模塊地相互連接,將使共模電壓逐級升高，所以電源模塊中應(yīng)該給通信模塊提供獨立的電源[5]。電源模塊電路圖如圖6所示。

圖6 電源模塊電路圖

為了使輸出電壓平均值是變壓器副邊電壓有效值的1.2倍，則濾波電容C1的容量應(yīng)滿足RC=(3～5)T/2，其中R=U/I，T為電源周期。 即C=5×0.02 s×1 A/2×9 Ω=3 333 μF。 所以C1 應(yīng)取 4 700 μF。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

電池模擬器的實現(xiàn)首先需要設(shè)置模擬器的工作參數(shù)，包括電池類型、容量等[6]。這些工作參數(shù)的設(shè)定是通過控制器來完成的，控制器通過RS485與電池模擬器通信，將需要設(shè)置的數(shù)據(jù)傳輸給電池模擬器。需要注意這里的控制器不屬于電池模擬器。具體的程序設(shè)計流程圖如圖7所示。

程序主要采用無限循環(huán)加有限狀態(tài)機的結(jié)構(gòu)，空閑狀態(tài)電池模擬器一直等待接收來自控制器的命令。當接收到來自控制器的命令后，進入靜態(tài)電流測試狀態(tài)，完成靜態(tài)電流測試后跳到電壓控制狀態(tài)，在電壓控制狀態(tài)下除了輸出電壓外還需完成ADC的過采樣。最后反饋信息進入空閑狀態(tài)[7]。

圖7 軟件設(shè)計流程圖

4 系統(tǒng)測試

該電池模擬器的輸出電壓設(shè)置為0～5 V可調(diào)，精度為滿量程的0.1%±3個字。所以輸出電壓最大誤差為±8 mV?，F(xiàn)將3串電池模擬器串聯(lián)使用并測試單節(jié)輸出電壓。測試電路如圖8所示。

圖8 電池模擬器串聯(lián)圖

通過測試任意單節(jié)電池模擬器的輸出電壓，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。測試中使用的儀器為GDM-8055。

從表1中可以看出，該電池模擬器的輸出電壓最大絕對誤差為±3 mV，滿足設(shè)計要求。

表1 輸出電壓測試

本文論述了一種用于電池保護板測試裝置的電池模擬器的設(shè)計，主要由STM32控制模塊、通信模塊、電壓產(chǎn)生模塊和ADC模塊構(gòu)成。其中電壓模塊中選擇偏置電壓低、共模抑制比高的集成運算放大器以及穩(wěn)定性高的基準電壓以滿足精度要求。在ADC模塊中采用差分采樣法測量電壓和電流。系統(tǒng)測試結(jié)果表明，該電池模擬器輸出電壓最大絕對誤差滿足設(shè)計要求。另外，該電池模擬器可多串串聯(lián)使用，電壓任意調(diào)節(jié)且抗干擾能力強，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]THOMPSON M T.Intuitive analog cricuit dseign[M].Elsevier Inc,2006.

[2]耿立中，王鵬，馬騁，等.RS485高速數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn) [J].清華大學(xué)報(自然科學(xué)報),2008，48(8)：1311-1314.

[3]CANDY J C,TEMES G C.A tutorial discussion of the oversampling methods for A/D and D/A conversion[C].IEEE International Symposium on Circuits and Systems,1990,2：910-913.

[4]曾潔，張紅偉，馬園.基于PIC18F4685的電池模擬信號源設(shè)計[J]. 電池工業(yè)，2013,18(1)：25-28.

[5]馬園．電池管理系統(tǒng)模擬信號源的研究與實現(xiàn)[D]．大連：大連交通大學(xué)，2012．

[6]許勇，葉剛，卞青青，等.基于A/D轉(zhuǎn)換最小二乘法的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用[J].微計算機信息，2009，25(4-2)：280-282.

[7]朱丹.基于C8051F020的PID參數(shù)自整定控制器的研究與實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2013，32(9)：21-23.