李顯成, 王 猛, 鄧 明, 金 勝, 羅賢虎

(1. 中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院, 北京 100083;2. 廣州海洋地質調查局, 廣東 廣州 510075)

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無人值守的小容量鋰電池充放電單元設計

李顯成1, 王 猛1, 鄧 明1, 金 勝1, 羅賢虎2

(1. 中國地質大學(北京) 地球物理與信息技術學院, 北京 100083;2. 廣州海洋地質調查局, 廣東 廣州 510075)

實時采集電池的電壓和放電電量,可以了解電池的放電曲線和容量,通過反復的充放電測試,可以評價電池的好壞。無人值守的小容量鋰電池充放電單元以STM32F103為主控,整合其內部A/D,利用采樣電阻實現了鋰電池電壓和放電電量的采集,通過三極管和二極管控制電路,實現了全自動的多次充放電狀態(tài)切換。最后利用上位機腳本處理數據,實現了測試數據的保存與可視化。

地球物理儀器； 鋰電池； 充放電單元

鑒于鋰電池高的能量密度、低的噪聲水平和優(yōu)良的充放電性能,目前陸地和海洋地球物理儀器設備中越來越多地采用了鋰電池供電[1]，現在絕大數的電子產品都需要鋰電池來提供能量[2]。評判一款電子設備的續(xù)航時間除了跟它自身的功耗相關以外,還跟電池的容量和老化速度密切相關。隨著科技的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的人工手動測試電池方法已經不能滿足現代高速發(fā)展的產品的需求,往往在舊一代的產品還沒做完整體測試,新一代的產品就要面市了。因此,作為產品研發(fā)的重要環(huán)節(jié),手動的產品測試已經跟不上整體的產品研發(fā)節(jié)奏,自動化的測試已成為必然[3]。

傳統(tǒng)的電池測試方法有的用到了昂貴的設備,比如電子負載、電池測試儀；有的只是對單一的性能指標進行測試,比如只測一次放電曲線,不進行電池老化測試[4-5]；有的是以表格的方式進行記錄,比如測試的數據導入到Excel表格,整個系統(tǒng)費時、費力,而且獲得的結果專業(yè)性太強、不直觀,需要進行二次處理。

本文主要講述了鋰電池的充放電單元設計。操作人員設定好放電次數和放電電流后,通過模擬真實充放電環(huán)境,在無人值守的條件下,對鋰電池輸出電壓進行采集,對鋰電池充放電進行控制,對鋰電池信息的處理得到鋰電池的放電曲線和容量信息。整體測試自動化及可視化程度高。

1 充放電單元的總體設計

無人值守的小容量鋰電池充放電單元主要由采集模塊、控制模塊和處理模塊3個模塊構成。

圖1為無人值守的小容量鋰電池充放電單元設計的系統(tǒng)框圖。首先由采集模塊采集鋰電池信息,包括電流和電壓信息,采集模塊將采集到的信息分別發(fā)送給處理模塊和控制模塊；處理模塊進行數據處理、保存和可視化；控制模塊控制鋰電池的充放電,對整個電路起把控作用。

2 采集模塊

采集模塊框圖如圖2所示。采集模塊包括分壓電路采集部分和放電電路采集部分。分壓電路將電池電壓分壓至STM32內部A/D的采集范圍內[6-8]。放電電路采集部分在負載與地之間串聯一個高精度采樣電阻,通過定時采集采樣電阻的電壓,實現鋰電池的放電電量采集[9-10]。當然,如果A/D有差分輸入功能,采樣精度將有所提高[11-12]。分壓電路采集到的電壓信息被發(fā)送到處理模塊和控制模塊,放電電路采集到的電壓信息被發(fā)送到處理模塊。

圖2 采集模塊框圖

3 控制模塊

控制模塊框圖如圖3所示?？刂颇K由控制電路和狀態(tài)顯示電路組成,控制電路由三極管和開關二極管組成開關電路,狀態(tài)顯示電路由工業(yè)字符型液晶顯示屏1602和LED燈組成。當控制模塊接收到采集模塊的電壓信息小于3 V時關閉放電電路,打開充電電路；當控制模塊檢測到充電IC發(fā)出的充滿信號時關閉充電電路,打開放電電路。如此循環(huán),當放電次數達到系統(tǒng)設定值時,關閉充電電路和放電電路。鋰電池充電時LED燈漸亮,鋰電池放電時LED燈漸滅。

圖3 控制模塊框圖

4 處理模塊

處理模塊分為下位機處理部分和上位機處理部分,下位機主要是指以STM32單片機為控制核心的鋰電池充放電單元電路,負責將電壓信息轉換成電量信息,并通過USB轉串口發(fā)送給上位機。單片機上傳的數據格式如下:

03day8hour37min!

1:3.52V,702maH,010s

2:3.92V,205maH,008s

通過定時采集鋰電池電壓和采樣電阻的電壓,由采樣電阻換算出放電回路的放電電流。由鋰電池容量單位mAh可知,鋰電池放電容量與放電電流和放電時間成正比,由此得出每隔n秒采集一次信息的電量計算公式為

C=C前+3 600×1 000×V/(n×R)

式中，C代表當前放電電量值,C前代表前一次采集時放電電量值,V代表采樣電阻上的電壓,R代表采樣電阻的阻值。最后得出的C單位是mAh。

下位機將鋰電池電壓和上式中的電量信息再加上各種狀態(tài)信息以特定的格式發(fā)送到上位機。

上位機采用Matlab軟件,利用腳本編程實現了上傳數據的處理和保存[13-14]。其框架如圖4實線部分所示。

圖4 處理框圖

上位機校驗數據正確后,讀取特定的數據位,將電量信息、電壓信息、放電次數信息截取下來,判斷電量信息,當電量信息達到5N+1(N為正整數)時,保存電壓信息。當放電過程結束時,以電量C值為X軸,電壓V值為Y軸繪制放電曲線圖。最后用圖像的形式將放電曲線和放電次數保存在電腦上。

5 測試結果

圖5所示上位機保存的放電曲線,測試用的鋰電池標稱容量為800 mAh,電壓為4.2 V,放電電流設置為200 mA。圖5中“—LTest2-003”代表的是第2組鋰電池的第3次放電曲線,“…LTest2-013”代表的

是第2組鋰電池的第13次放電曲線。由圖5可以看出,標稱為800 mAh容量的鋰電池,經過10次充放電以后,其容量已經由第3次的820 mAh下降到了第13次的805 mAh。測試得到的放電曲線符合規(guī)律,能夠真實反映鋰電池的容量和老化程度。

圖5 鋰電池放電曲線

經過10 d的反復測試,本系統(tǒng)能夠實現全自動和無人值守的功能,最終得出的結果也比較直觀、通俗易懂。該無人值守的小容量鋰電池充放電單元可達到的技術指標見表1。

表1 技術指標

6 結論

鋰電池作為優(yōu)良的供電電源,其性能的優(yōu)劣關乎整臺儀器的運行是否穩(wěn)定可靠。本文基于STM32單片機實現了無人值守的小容量鋰電池充放電單元設計,利用單片機內部的A/D和精密采樣電阻實現了鋰電池輸出電壓和放電電量的采集；利用簡單可靠的三極管和二極管開關控制電路實現了全自動的多次充放電狀態(tài)控制；最終鋰電池的測量數據通過上位機腳本處理函數得以存儲和展示。

經過多天的連續(xù)運行測試,所研發(fā)的充放電單元性能穩(wěn)定可靠,結果準確,可以達到小容量鋰電池評價的目標。

References)

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Unattended small-capacity lithium batterycharge and discharge cell design

Li Xiancheng1, Wang Meng1, Deng Ming1, Jin Sheng1, Luo Xianhu2

(1. School of Geophyysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

With the increased frequency of charge and discharge, the capacity and discharge curve of lithium battery will be major changes. The real-time acquisition battery voltage and discharge capacity can help us understand the battery discharge curve and capacity, and that the battery is good or bad through repeatedly charging and discharging test. The unattended small capacity lithium battery charge and discharge cell with the master of STM32F103, consolidates its internal A/D by using sampling resistor to achieve the collection of lithium battery voltage and the discharge capacity. The automatic repeatedly switching charging and discharging state has been achieved through the transistor and diode control circuit. With the PC script, the data preservation and visualization have been realized.

geophysical instrument; lithium battery; charge and discharge cell

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.026

2016-02-14

國家863計劃項目課題(2014AA06A603);地下信息探測技術與儀器教育部重點實驗室(中國地質大學, 北京)基本科研業(yè)務費項目(GDL1304)資助

李顯成(1993—)，男，湖北漢川，學士，碩士研究生，主要從事測控技術與儀器研究

E-mail：156861160@qq.com

王猛(1984—)， 男，河南許昌，博士，講師，主要從事測控技術與儀器教學和地球物理儀器研制工作.

E-mail：wangmeng@cugb.edu.cn

TM912

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1002-4956(2016)11-0105-03