一種電池容量自動化測試系統(tǒng)設計*

*基金項目：廣東省科技計劃項目（2017A010102022）；湛江市工業(yè)技術(shù)攻關(guān)項目（201717A02020）；嶺南師范學院校級科研項目（LY1806）

0   引言

鋰電池、聚合物電池、鎳鉻電池、磷酸鐵鋰等電池廣泛地存于人們的日常生活與工作中，部分類型電池在新能源電動汽車中同樣得到了廣泛應用，并深刻地影響著人類生活的方方面面，如何保證制造的電池容量性能，是各類電池出廠的必要環(huán)節(jié)。

基于以上需求，設計了一款電池容量測試系統(tǒng)，用于測量各電池容量的大小，并適用于電池、電芯或電池組的容量的測量。相同規(guī)格的電池或電芯容量越大，則說明其儲存的電量越多^[1,2]。根據(jù)這個特性，可以通過測量電池的容量判斷電池品質(zhì)的優(yōu)劣、產(chǎn)品是否合格。

文獻^[3-4]中均提出了核心電路恒流源中使用晶體管進行電流控制，系統(tǒng)中都缺乏PC軟件本地控制打印，物聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控功能^[3-4]；而文獻5雖然提出了使用功耗更低的場效應管實現(xiàn)恒流源的功率部分、PC軟件通信，但缺乏遠程監(jiān)控功能，并且文中表1的數(shù)據(jù)中，若干行電流誤差率計算有誤[5]。本測試系統(tǒng)根據(jù)電池容量測試要求，使用微控制器、運放與場效應管、大電流采樣電阻等構(gòu)成了電池充放電模塊，配合周邊電路，搭建了電池容量測試儀，在Delphi開發(fā)環(huán)境下編寫了本地控制軟件、物聯(lián)網(wǎng)平臺支持下的移動端監(jiān)控App。系統(tǒng)可脫離PC軟件與App單獨使用，也可配合PC與App使用，經(jīng)過實際調(diào)試并長時間使用，能滿足測試要求，保證了電池制造質(zhì)量，實現(xiàn)了檢測的自動化、網(wǎng)絡化、市場化。

1   電池容量測試系統(tǒng)概述

1.1 電池容量測試原理

電池容量是衡量電池性能的重要指標之一，分為額定容量（標稱容量）和實際容量。電池的額定容量是電池生產(chǎn)廠家在環(huán)境溫度20℃±5 ℃條件下,以5h率放電至終止電壓時所應提供的電量，用C5表示，單位為Ah(安時）或mAh（毫安時）[6,7]。例如標稱1000mAh的電池，以1C5A（1000mA）的電流放電，理論值可以持續(xù)放電1小時，若以0.2C5A（200mAh)的電流放電，可以持續(xù)放5小時。

設置t0為電池充滿電的標稱電壓V_nomi的時刻，t1為電池持續(xù)放電后到達終止電壓Vcutoff的時刻，不同的電池，V_nomi 、V_cutoff各不相同，如單個鋰電池，V_cutoff =2.75V，按公式（1）計算電池電量：

   （1）

其中，i為電路測試中的電池瞬時電流值。為了簡化檢測過程，先對被測電池進行充電，讓其達到標稱電壓Vnomi，再對電池進行恒流I放電，在放電的過程中，不斷計算被測電池的電壓，檢測其是否達到終止電壓V_cutoff，并記錄兩個時間的差值^[6,7]，最后得到公式（2）：

   （2）

1.2 測試系統(tǒng)框圖

從圖1的系統(tǒng)框圖可以看出，本地控制軟件運行于計算機Windows操作系統(tǒng)上，與硬件測試儀經(jīng)由串口[8]交換數(shù)據(jù)與命令，而物聯(lián)網(wǎng)服務采用中國移動OneNet^[9]物聯(lián)平臺，開發(fā)Android App接收本地控制軟件的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程移動監(jiān)控本地的測試過程與結(jié)果的需求。

圖1 系統(tǒng)框圖及硬件組成

2   電池容量測試系統(tǒng)硬件

2.1 主控單片機與通信接口

如圖2所示，系統(tǒng)單片機選用了ATMEGA64單片機，供電電壓為5V，充分使用其IO口，完成了與LCD液晶顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、串口模塊、AD、DA模塊、內(nèi)阻測量模塊、恒流充放電模塊等的連接與通信，而Max232芯片則實現(xiàn)了微控制器與RS232的串口通信，硬件可與計算機的串口直接相連接，也可通過USB轉(zhuǎn)串口線完成軟硬件的雙向通信。

圖2 微控制器核心電路與串口通信電路圖

2.2 PWM的DA轉(zhuǎn)換電路

在圖1的電池容量測試硬件模塊框圖中，充放電PWM轉(zhuǎn)換需要兩路獨立控制，并分別提供給下級的充放電恒流電路做為輸入?yún)⒖茧妷涸?，考慮到性價比，兩路參考電壓源直接由微控制芯片ATMEGA64的PB5，PB6腳產(chǎn)生PWM波并經(jīng)由低通濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電壓產(chǎn)生。程序上PWM輸出頻率約為500Hz,表達式如公式（1），其中E為單片機輸出高電平5V，占空比,

   （3）

把上述PWM波展開成傅里葉級數(shù)：

   （4）

其中，

   （5）

以放電電路為例，可設計一個如圖3的二階RC有源低通濾波器，把公式（4）的高次諧波進行濾除，濾除后，由公式（4）、（5）得到PWM的直流分量簡化為：

   （6）

該低通濾波器為兩級RC有源濾波電路，由C=C223=C224=0.01uF，R=R221=R222=400k，U22A構(gòu)成的電壓跟隨器放大倍數(shù)為1，設，根據(jù)運放虛短虛斷原理，則頻率函數(shù)公式為：

    （7）

設f為二階低通電路截止頻率，有 ，并且 ，則模：

   （8）

解得該低通濾波網(wǎng)絡截止頻率為：

    （9）

在Proteus軟件里進行二階RC有源低通濾波電路仿真，如圖3，設置輸入占空比20%，峰值5V，頻率500Hz的PWM波，從PWM頻譜圖可以看出其具有多個高次諧波，經(jīng)過電路濾波后得到Uin，同樣再對其進行傅里葉分析，Uin頻譜圖上已經(jīng)看不見高頻諧波成分，而轉(zhuǎn)換出來的直流成分如示波器Channel C紅色輸出線所示，達到了設計目的。

圖3 PWM轉(zhuǎn)換直流電路及仿真圖

2.3 電池充放電模塊與軟硬件閉環(huán)控制

根據(jù)國標要求，對電池容量進行檢測，系統(tǒng)必須實現(xiàn)對充滿電的被測電池進行恒流放電。以恒流放電電路為例，在圖4中被測電池由battery+和battery-接入，軟件分別對Ctrl_Power、ctrl_pro_time、ctrl_revive引腳設置恰當?shù)母叩碗娖?，使得battery-與GND連通、U21B第7腳與R626連通、VCC+12V與R9連通，U21B、Q8、U9等元件激活，電路即切換為恒流放電狀態(tài)。Uin參考電壓由運放U21B（LM358）同相端輸入，運放輸出控制Q8大功率MOS管IRFP260，可支撐大部分被測電池的大電流放電要求。R218為0.1歐姆，線徑1.6mm的康銅絲，是電路中的采樣電阻，該傳感器可承受20A左右的大電流，具有精度高、溫度系數(shù)低、無電感的優(yōu)點。U9為OP07運放構(gòu)成的同相運算放大電路，形成電流電壓IV轉(zhuǎn)換電路，放大倍數(shù)為Av=1+R93/R92=11，并連接到U21B反向端，形成反饋電壓Uf。由運放的虛短虛斷特性與反饋電壓放大關(guān)系，形成以下關(guān)系式：

   （10）

因此放電部分恒流源最終輸出 有以下關(guān)系式：

（11）

模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖4所示，芯片為TLC2543，其具有接口簡單，速度快的特點，能完成多達11通道的AD轉(zhuǎn)換工作，微控制器讀取它各通道值后，或處理或顯示。PWM轉(zhuǎn)換得到的Uin也被送入AD轉(zhuǎn)換芯片，微控制器得到它的實際值與設定值進行比較與校正，同樣電流傳感電阻的采樣電壓，經(jīng)放大器后產(chǎn)生的Uf，即feed_v電壓，也完成了類似的功能，實現(xiàn)了軟硬件閉環(huán)調(diào)整。

類似地，軟件上分別對Ctrl_Power、ctrl_pro_time、ctrl_revive引腳設置恰當?shù)母叩碗娖剑沟胋attery-與R_SENSE連通、GND與R626連通、U19B第17腳與R9連通，U19B、Q6、U20等元件激活，電路即切換為恒流充電電狀態(tài)，Uin2起到恒流放電參考電壓的作用。

主要是通過判斷電池電壓與設定的電壓差，從而確定充電電流的值的大小。設定好充電截止電壓，當充電電壓到達截止電壓附近后，系統(tǒng)狀態(tài)由原來的恒流充電變?yōu)楹銐撼潆?，恒壓的時候，電流會很大，當電流增大時，電池電壓會升高，為了讓電壓降下來，則充電電流要減小，直到電壓在恒定的設定電壓狀態(tài)。而充電電流是PWM設定的，當PWM值很小時，就認為電池充滿電了。

圖4  恒流源控制電路圖

3   電池容量測試系統(tǒng)軟件

3.1 串口通信協(xié)議設計

本地控制軟件需要與硬件測試儀交換數(shù)據(jù)，制定如表1的通信協(xié)議。

表1 軟硬件通信協(xié)議

表1中，總字節(jié)為有效字節(jié)與校驗字節(jié)總數(shù)，不包含幀頭及其本身，而LRC校驗為幀頭字節(jié)、總字節(jié)與有效字節(jié)段各字節(jié)相加后取補碼，即各字節(jié)累加和取反后加一。軟硬件雙方請求應答命令都遵循該協(xié)議，并在程序的通信部分使用狀態(tài)機進行數(shù)據(jù)處理，校驗，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。根據(jù)此協(xié)議，制定了若干命令，如發(fā)送串口檢測握手命令、容量測試選項命令、容量測試模式命令、接收測試數(shù)據(jù)命令等，以此完成軟硬件數(shù)據(jù)交換。

3.2 軟件設計

測試系統(tǒng)軟件由兩部分組成，分別是與硬件測試儀串口連接并運行于Windows平臺的本地控制軟件與運行于Android移動端的監(jiān)控App。兩部分程序通過中國移動物聯(lián)網(wǎng)OneNet平臺進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)采用了Delphi Tokyo10.2^[10,11]下的Object Pascal語言進行上位機程序開發(fā),考慮到Delphi是一個集成數(shù)據(jù)庫訪問控件與跨平臺的開發(fā)工具，代碼可以實現(xiàn)一次編寫，多平臺編譯使用，而測試系統(tǒng)中包含的Windows與Android平臺的軟件在同一個平臺中開發(fā)，具有更好的兼容性與經(jīng)濟快捷性。

根據(jù)電池容量測試的要求，其軟件設計框架如圖5所示：

圖5 軟件設計框架

在本地控制軟件中，設計界面如圖6所示，“連接”按鈕實現(xiàn)了框圖中的串口通信模塊，主頁面左側(cè)則是容量測試參數(shù)設置模塊，可設置測試模式，各模式下的參數(shù)，如充電時間、放電時間、充放電終止電壓，測試循環(huán)次數(shù)等。主界面右側(cè)分不同的標簽頁顯示了三種電池容量測試相關(guān)的曲線。最右側(cè)的“測試結(jié)果”標簽頁，則用文本的方式，對被測電池容量等特性做了最終是否合格產(chǎn)品的結(jié)論，最終實現(xiàn)了對被測電池充電、放電、繪制曲線、打印報告的自動化操作。

圖6 本地控制軟件界面

物聯(lián)網(wǎng)通信模塊采用多線程模式，在不影響主界面用戶操作響應的前提下，使用idTcpClient非可視控件，實現(xiàn)本地控制軟件與中國移動物聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)交換，該通信基于物聯(lián)平臺的EDP協(xié)議[12]（Enhanced Device Protocol）通信，軟件需建立TCP長連接，在沒有命令傳輸?shù)目臻e時間外，每分鐘發(fā)送一次心跳包可保持連接。

Android移動端App同樣采用Delphi開發(fā)環(huán)境設計，運行效果如圖7所示。

圖7 移動端App界面

3.3 軟件流程與控制

本地控制軟件流程如圖8，主要涉及串口通信與網(wǎng)絡通信，利用TComport與TComtDataPacket聯(lián)合使用，定義每個命令的幀頭和字符長度，當有符合定義條件的串口幀到達軟件后，自動觸發(fā)中斷接收程序，并得出完整的一幀數(shù)據(jù)，再對幀內(nèi)數(shù)據(jù)進行校驗與數(shù)據(jù)處理，極大地簡化了本地控制程序的數(shù)據(jù)接收過程。

圖8 本地控制軟件流程圖

Android App在與物聯(lián)網(wǎng)平臺通信子線程^[13]里，利用了idHttp網(wǎng)絡通信控件，發(fā)送實時數(shù)據(jù)查詢命令到物聯(lián)網(wǎng)平臺，返回cmd_uuid碼，并由之轉(zhuǎn)發(fā)到本地控制軟件，而本地控制軟件配合返回數(shù)據(jù)到平臺后，App再查詢對應的cmd_uuid碼的數(shù)據(jù)包，進行解包分析。通過這種平臺中轉(zhuǎn)的方式，可實時獲得本地軟件的被測數(shù)據(jù)，同步顯示曲線于二維點狀圖表控件上，讓處于互聯(lián)網(wǎng)上的測試人員可以使用移動端監(jiān)視電池的測試過程與測試結(jié)果，擺脫了儀器放置的空間限制，提升了工作效率。

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試結(jié)果

電容容量測試系統(tǒng)測試鋰電池的實物連接如圖9所示，經(jīng)實驗，本地控制軟件可運行于Windows xp及以上所有操作系統(tǒng)。當計算機與硬件測試儀正常連接成功后，硬件測試儀的LCD上顯示與PC“連接中...”字樣，此時所有的硬件數(shù)據(jù)都將從硬件LCD轉(zhuǎn)由軟件接收并在PC顯示。

圖9 系統(tǒng)測試實物圖

系統(tǒng)硬件輸入電源：220V±10%/50Hz，消耗功率10-50W。在快速測試模式中，測試最快約100ms完成；容量測試時間約為2至10小時。

恒流控制放電電路使用直流電源測試，該模塊測試結(jié)果如表2所示，序號1-4為電壓不變，改變電流進行測試，而序號5-8為電流不變，改變被測電池電壓進行測試。數(shù)據(jù)表明電流電壓在較大范圍變化下，得到恒流源電路偏差率總體低于1%。

表2 恒流電路電流測試

4.2 誤差討論

對于誤差，主要來源于：

（1）恒流源電路中采樣電阻精度、溫度穩(wěn)定性以及反饋回路中運放電路的精度誤差；

（2）采樣放大電壓送到AD轉(zhuǎn)換器后的得到的電壓精度誤差；

（3）電源電壓、PWM波濾波誤差等。

5   結(jié)語

本文搭建了以微控制系統(tǒng)硬件、串口與網(wǎng)絡通信為主的電池容量測試系統(tǒng)，測試系統(tǒng)實現(xiàn)了軟硬件二級電流調(diào)節(jié)的電池容量測量系統(tǒng)，能準確測量電池容量的相關(guān)參數(shù)，特別地使用了物聯(lián)網(wǎng)平臺，開發(fā)了配套移動端App，拓展了系統(tǒng)使用靈活性。實驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)能很好地完成產(chǎn)品需求，可應用于電池制造生產(chǎn)質(zhì)量檢測。

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（注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）