李顯成, 王 猛, 鄧 明, 金 勝, 羅賢虎

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院, 北京 100083;2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510075)

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無(wú)人值守的小容量鋰電池充放電單元設(shè)計(jì)

李顯成1, 王 猛1, 鄧 明1, 金 勝1, 羅賢虎2

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球物理與信息技術(shù)學(xué)院, 北京 100083;2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510075)

實(shí)時(shí)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(guò)反復(fù)的充放電測(cè)試,可以評(píng)價(jià)電池的好壞。無(wú)人值守的小容量鋰電池充放電單元以STM32F103為主控,整合其內(nèi)部A/D,利用采樣電阻實(shí)現(xiàn)了鋰電池電壓和放電電量的采集,通過(guò)三極管和二極管控制電路,實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的多次充放電狀態(tài)切換。最后利用上位機(jī)腳本處理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)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(shè)備中越來(lái)越多地采用了鋰電池供電[1]，現(xiàn)在絕大數(shù)的電子產(chǎn)品都需要鋰電池來(lái)提供能量[2]。評(píng)判一款電子設(shè)備的續(xù)航時(shí)間除了跟它自身的功耗相關(guān)以外,還跟電池的容量和老化速度密切相關(guān)。隨著科技的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的人工手動(dòng)測(cè)試電池方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代高速發(fā)展的產(chǎn)品的需求,往往在舊一代的產(chǎn)品還沒(méi)做完整體測(cè)試,新一代的產(chǎn)品就要面市了。因此,作為產(chǎn)品研發(fā)的重要環(huán)節(jié),手動(dòng)的產(chǎn)品測(cè)試已經(jīng)跟不上整體的產(chǎn)品研發(fā)節(jié)奏,自動(dòng)化的測(cè)試已成為必然[3]。

傳統(tǒng)的電池測(cè)試方法有的用到了昂貴的設(shè)備,比如電子負(fù)載、電池測(cè)試儀；有的只是對(duì)單一的性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試,比如只測(cè)一次放電曲線,不進(jìn)行電池老化測(cè)試[4-5]；有的是以表格的方式進(jìn)行記錄,比如測(cè)試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Excel表格,整個(gè)系統(tǒng)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力,而且獲得的結(jié)果專業(yè)性太強(qiáng)、不直觀,需要進(jìn)行二次處理。

本文主要講述了鋰電池的充放電單元設(shè)計(jì)。操作人員設(shè)定好放電次數(shù)和放電電流后,通過(guò)模擬真實(shí)充放電環(huán)境,在無(wú)人值守的條件下,對(duì)鋰電池輸出電壓進(jìn)行采集,對(duì)鋰電池充放電進(jìn)行控制,對(duì)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(cè)試自動(dòng)化及可視化程度高。

1 充放電單元的總體設(shè)計(jì)

無(wú)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(gè)模塊構(gòu)成。

圖1為無(wú)人值守的小容量鋰電池充放電單元設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理、保存和可視化；控制模塊控制鋰電池的充放電,對(duì)整個(gè)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(nèi)部A/D的采集范圍內(nèi)[6-8]。放電電路采集部分在負(fù)載與地之間串聯(lián)一個(gè)高精度采樣電阻,通過(guò)定時(shí)采集采樣電阻的電壓,實(shí)現(xiàn)鋰電池的放電電量采集[9-10]。當(dāng)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。控制模塊由控制電路和狀態(tài)顯示電路組成,控制電路由三極管和開(kāi)關(guān)二極管組成開(kāi)關(guān)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(dāng)控制模塊接收到采集模塊的電壓信息小于3 V時(shí)關(guān)閉放電電路,打開(kāi)充電電路；當(dāng)控制模塊檢測(cè)到充電IC發(fā)出的充滿信號(hào)時(shí)關(guān)閉充電電路,打開(kāi)放電電路。如此循環(huán),當(dāng)放電次數(shù)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí),關(guān)閉充電電路和放電電路。鋰電池充電時(shí)LED燈漸亮,鋰電池放電時(shí)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(jī)處理部分和上位機(jī)處理部分,下位機(jī)主要是指以STM32單片機(jī)為控制核心的鋰電池充放電單元電路,負(fù)責(zé)將電壓信息轉(zhuǎn)換成電量信息,并通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口發(fā)送給上位機(jī)。單片機(jī)上傳的數(shù)據(jù)格式如下:

03day8hour37min!

1:3.52V,702maH,010s

2:3.92V,205maH,008s

通過(guò)定時(shí)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(shí)間成正比,由此得出每隔n秒采集一次信息的電量計(jì)算公式為

C=C前+3 600×1 000×V/(n×R)

式中，C代表當(dāng)前放電電量值,C前代表前一次采集時(shí)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(jī)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(jī)。

上位機(jī)采用Matlab軟件,利用腳本編程實(shí)現(xiàn)了上傳數(shù)據(jù)的處理和保存[13-14]。其框架如圖4實(shí)線部分所示。

圖4 處理框圖

上位機(jī)校驗(yàn)數(shù)據(jù)正確后,讀取特定的數(shù)據(jù)位,將電量信息、電壓信息、放電次數(shù)信息截取下來(lái),判斷電量信息,當(dāng)電量信息達(dá)到5N+1(N為正整數(shù))時(shí),保存電壓信息。當(dāng)放電過(guò)程結(jié)束時(shí),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(shù)保存在電腦上。

5 測(cè)試結(jié)果

圖5所示上位機(jī)保存的放電曲線,測(cè)試用的鋰電池標(biāo)稱容量為800 mAh,電壓為4.2 V,放電電流設(shè)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(biāo)稱為800 mAh容量的鋰電池,經(jīng)過(guò)10次充放電以后,其容量已經(jīng)由第3次的820 mAh下降到了第13次的805 mAh。測(cè)試得到的放電曲線符合規(guī)律,能夠真實(shí)反映鋰電池的容量和老化程度。

圖5 鋰電池放電曲線

經(jīng)過(guò)10 d的反復(fù)測(cè)試,本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全自動(dòng)和無(wú)人值守的功能,最終得出的結(jié)果也比較直觀、通俗易懂。該無(wú)人值守的小容量鋰電池充放電單元可達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)指標(biāo)

6 結(jié)論

鋰電池作為優(yōu)良的供電電源,其性能的優(yōu)劣關(guān)乎整臺(tái)儀器的運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠。本文基于STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了無(wú)人值守的小容量鋰電池充放電單元設(shè)計(jì),利用單片機(jī)內(nèi)部的A/D和精密采樣電阻實(shí)現(xiàn)了鋰電池輸出電壓和放電電量的采集；利用簡(jiǎn)單可靠的三極管和二極管開(kāi)關(guān)控制電路實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)的多次充放電狀態(tài)控制；最終鋰電池的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)腳本處理函數(shù)得以存儲(chǔ)和展示。

經(jīng)過(guò)多天的連續(xù)運(yùn)行測(cè)試,所研發(fā)的充放電單元性能穩(wěn)定可靠,結(jié)果準(zhǔn)確,可以達(dá)到小容量鋰電池評(píng)價(jià)的目標(biāo)。

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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(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目課題(2014AA06A603);地下信息探測(cè)技術(shù)與儀器教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)地質(zhì)大學(xué), 北京)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(GDL1304)資助

李顯成(1993—)，男，湖北漢川，學(xué)士，碩士研究生，主要從事測(cè)控技術(shù)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(cè)控技術(shù)與儀器教學(xué)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