專利名稱：智能化電池循環(huán)充放電測試裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種經濟、簡便、穩(wěn)定、精確的應用于電池循環(huán)充放電測試的裝 置，可對鉛酸蓄電池、鋰電池、鎳氫電池等二次電池進行恒電流、恒電壓、恒電阻、恒功率等 多種模式的自動循環(huán)充放電測試。通過對系統(tǒng)硬件的擴展，可以方便的實現多路(最多到 4路)測量，進行多個電池同時進行循環(huán)充放電測試。
二、背景技術二次電池(可充電電池)自實用新型以來已經得到廣泛應用，其種類也是多種 多樣，按其化學類型主要可以分為鉛酸(Lead-Acid)、鎳鎘(NiCd)、鎳氫(NiMH)和鋰離子 (Li+)電池這幾大類。二次電池相比于一次電池具有不可比擬的優(yōu)勢，因此越來越多地被應 用在能源儲備、計算機、電子通訊、動力設備等領域。隨著二次電池開發(fā)研究的深入和應用 領域的不斷拓廣，二次電池性能參數的測試顯得十分重要。在各種二次電池性能參數當中 循環(huán)壽命、放電容量、充放電效率、放電倍率性能等充放電特征參數都可以通過循環(huán)充放電 測試獲得，是評價電池性能重要指標。在二次電池的測試中，最常見的就是循環(huán)充放電測試，充放電特性可以反映電池 在實際應用中的性能差異，充放電模式主要可以分為恒流、恒壓、恒阻和恒功率充放電。 電池在不同模式下進行充放電測試對電池的容量也有較大的影響，同時也可以反映出電池 的不同特性。目前市場上有很多種電池測試系統(tǒng)，如Arbin公司的16通道電池測試系統(tǒng)、 Hioki公司生產的手持式測量儀、Keithley Instruments公司的可編程電池仿真器等都能 完成電池性能的測試，但其價格都非常昂貴，使用和維護費用也很高，限制了它們在實驗室 研究電池方面的應用。國內一些電池測試儀器主要用于檢測電池的當前狀態(tài)，存在功能單 一、測試精度不高、穩(wěn)定性不好等缺點。如中國專利CN200520060665. 8所公開的一種數字 式蓄電池檢測儀，包括蓄電池、電源等，還包含微處理電路、脈沖電路、采樣放大電路、A/D轉 換電路、顯示和鍵盤。通過微處理電路控制脈沖電路發(fā)送脈沖信號，發(fā)送至蓄電池，采樣放 大電路對交流信號放大處理，讀取蓄電池上交流電壓值，輸出至微處理電路，最后顯示數據 并自動判斷蓄電池當前狀況，同時也能測試汽車蓄電池啟動能力。專用的電池循環(huán)充放電 測試儀器的缺乏，迫使國內大量研究人員使用電化學工作站對電池進行充放電試驗，造成 了專業(yè)儀器設備的低效率使用。尋求價格適中而又準確的電池循環(huán)充放電測試儀器無疑是 目前研究的目標。鑒于所存在的這些問題，本實用新型研制了一種新型的電池自動充放電 測試裝置，可以很好地完成對二次電池主要性能參數的測試工作。
三、發(fā)明內容為了解決上述問題，本實用新型提供一種價格低廉、精度高、穩(wěn)定性好的的二次電 池自動充放電測試裝置，該裝置可對二次電池的主要參數進行測定，性能安全可靠，具有廣 泛的應用前景。本實用新型的目的是通過以下措施實現的
3[0006]智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，其特征在于該裝置包括電源模塊、電子負載、 采集控制模塊、PC機、充放電模塊五部分，其中電源模塊的輸出連接電子負載(IT8511直流電子負載)和充放電模塊，待測 電池經充放電模塊與電子負載連接；采集控制模塊的信號采集端接待測電池，控制端連接 充放電模塊，采集控制模塊并通過USB數據線與PC聯機連接，由PC機對采集控制模塊實現 控制，并采集記錄相應采樣數據。采集控制模塊主要包括(USB2. 0-Verl. 0)A/D轉換電壓采集板、二極管和三極管， 充放電模塊主要由電磁繼電器矩陣組成，電壓采集板電壓采集端CH1與GND端分別與待測 電池正、負極相連，采集電池端電壓V，I/O控制輸出端D01串聯二極管D1和電阻R1后再接 三極管T1的b極，三極管T1的e極接地，c極連接電磁繼電器矩陣中各電磁繼電器線圈的 負端，各電磁繼電器線圈的正端連接電源模塊的輸出端，電壓采集板與PC機之間通過USB 數據線進行通訊，實時反饋電池端電壓V;充放電模塊通過繼電器的切換達到改變電路工作狀態(tài)的目的。繼電器為 DS2Y-S-DC5V型電磁繼電器，繼電器矩陣通過對采集控制模塊的信號響應來實現充電和放 電子電路的切換。通過電磁線圈中電流的改變來切換電路。當線圈中無電流通過時，常閉端 閉合，常開端斷開，當有一定大小電流(100mA)通過時常閉端斷開，常開端閉合。繼電器組 的線圈端相互并聯，并且正端和電源模塊輸出端連接，負端與三極管T1的c極相連。通過 繼電器矩陣將電子負載、電源模塊和待測電池相連接，達到對待測電池充電和放電的目的。電磁繼電器矩陣包括兩個電磁繼電器，兩個電磁繼電器并聯，構成一個繼電器矩 陣。如需要多組測量則需要增加電磁繼電器的組數，并按照并行的方式進行連接即可。采集控制模塊的電壓采集板有四路采集輸入端CH1 CH4，采集控制模塊的電壓 采集板有設有四路采集輸入端，如CH1 CH4，可分別采集四組待測電池信號，繼電器矩陣 對應設有四組繼電器(每兩只為一組)，待測電池分別經一組繼電器與各自的電子負載連。并且測試時待測電池和電子負載始終串聯，因此可以實現對多路電池同時進行測 量，只需將多個待測電池分別接采集板的多個采集端，通過增加繼電器矩陣來分別對各個 測量子電路進行切換，PC機用USB數據線采集不同待測電池的端電壓即可實現。電源模塊包括變壓器、整流橋、濾波電容和三端穩(wěn)壓管組成，穩(wěn)壓管腳1為輸入， 腳2為輸出(+5V)，腳3接地，腳2分別連接電磁繼電器矩陣中各電磁繼電器線圈的正端和 電子負載的正端。一方面為二次電池充電時提供充電電源，另外一方面作為繼電器線圈的 驅動電源。電源模塊通過IT8511直流電子負載與待測電池連接。電子負載用于改變電路 的工作模式(恒流、恒阻、恒功率)，如在恒流充放電模式下時，保證在對電池進行充電/放 電過程中電路中電流恒定。該型號直流電子負載額定輸入電壓為0 120V，額定輸入電流 0 30A，額定輸入功率為0 150W，還可以選用該系列其他型號的電子負載以滿足不同要 求。PC機通過USB數據線讀取采集板采集的電池端電壓V，并與Labview程序預先設 定的電壓閾值進行比較，以控制采集板I/O端輸出電位達到充電和放電的切換。電路在工作時，先調節(jié)電子負載設定電路工作模式，在Labview程序中設定參數， 采集控制模塊通過采集二次電池端電壓，并與Labview程序預先設定的電壓閾值比較，再 通過I/O端給出控制信號來控制繼電器，達到充電和放電電路的切換功能，在電池充放電的過程中，PC機將自動記錄電池端電壓并作圖(V_t曲線)，得到電池充放電特性曲線。另 外，在Labview程序對話框內還可以設定電壓采樣精度，以滿足不同的測試需要。本實用新型相比現有技術具有如下優(yōu)點本實用新型的智能化電池循環(huán)充放電測試裝置可以測電池充放電過程中的電池 端電壓，并通過電子負載讀取或隨時調控充放電電流I，進而得出待測電池的充放電特性 曲線、庫侖效率、ocv(開路電壓)、電池內阻、循環(huán)壽命等重要參數，實現測試數據的自動記 錄、作圖，實現了全自動功能，減少人工干預，降低了運行成本，安全可靠并通過USB電壓采 集板與PC聯機，使用Labview程序，通過電壓采集板輸出信號來控制繼電器矩陣以改變切 換放電電路和充電電路，智能化、穩(wěn)定可靠且效率高。電源模塊和其他模塊集成在一起，方 便組裝的同時也節(jié)省了空間。該測試裝置具有在實驗室應用的前景，可廣泛用在對二次電 池測試研究領域。本裝置也可用于超級電容器的測試，通過并行設計可以實現多通道測試，拓展空 間大，功能多樣化，免維護，減少人工干預，可節(jié)約大量時間，電壓采樣精度高，結果準確可 靠，大大減少了測量誤差。

圖1為本實用新型的原理框圖。圖2為本實用新型的電源理圖。圖3為采集控制模塊的工作流程圖。圖4為采集控制模塊的原理框圖。圖5為測得電池恒流充放電圖形。
五具體實施方式
以下結合附圖及實施例對本裝置作進一步說明。參照圖1 按照其功能和作用，該系統(tǒng)電路主要由電源模塊、IT8511直流電子負載、采集控制 模塊、充放電模塊、PC機五部分組成。其中電源模塊作為待測電池的充電電源并為充放電 模塊提供驅動電源。電子負載則用以改變電池充放電模式，采集控制模塊主要包括USB A/ D轉換電壓采集板、二極管、三極管，通過USB電壓采集板采集電池端電壓，采集板I/O控制 輸出端輸出控制信號來控制充放電模塊，并使用USB數據線與PC機通訊，實現自動記錄數 據、作圖等功能，充放電模塊主要由繼電器矩陣構成。充放電模塊與待測電池相連接，通過 繼電器響應信號來切換充電電路和放電電路。參照圖2:圖中a為電源模塊，通過變壓器U1將220v交流電變?yōu)?v交流電，經過整流橋U2 整流、電容濾波、三端穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸出DC+5v，連接充放電模塊里繼電器線包和采集控制 模塊的三極管T1的c端，讓其工作在放大區(qū)，通過三極管的導通截止狀態(tài)來控制繼電器線 包，進而控制充放電模塊，其中電容CI、C2、C3、C4為濾波電容，穩(wěn)壓管1腳輸入，2腳輸出 +5V，3腳接地。電源模塊通過IT8511直流電子負載與待測電池CO連接。在充放電過程中， 電子負載有三種不同工作模式，可保持外電路電流恒定(電阻恒定或功率恒定)，可以通過
5設置電子負載的不同工作模式來實現電池的恒流、恒阻、恒功率充放實驗，以滿足實驗室對 電池不同狀態(tài)下的性能指標的測試，在充放電過程中需要保證電路中電流方向從電子負載 正端流進，負端流出。b為采集控制模塊，主要由電壓采集板(型號SB2. 0-Verl. 0)組成。采集板輸出 端與三極管T1的b極之間串聯一只電阻R1，另加一只二極管D1防止電流倒灌，破壞電壓 采集設備。采集板輸入端通過采集電池/電容器兩端電壓后輸出高低電平響應信號，使用 Labview編程，控制USB電壓采集板，并設置閾值電壓Vmin和Vmax，并比較采集的電池端電壓 與閾值電壓，從而在三極管b極給出高低電平控制信號，通過三極管將基極電流放大來控 制繼電器線圈的響應。當電池兩端電壓V。小于所設置的電壓下限Vmin時，采集板輸出低電平 信號，三極管處于截止狀態(tài)，繼電器不響應，電源對電池進行充電，相反，當電池兩端電壓Vc 大于所設置的電壓上限時，采集板輸出高電平信號時，三極管導通，繼電器響應吸合，電 池開始放電，如此循環(huán)工作。在電池充放電的過程中，電壓采集板采集電池端電壓并自動記 錄數據、作圖，達到自動采集、響應、記錄的自動充放電功能。c為充放電模塊，主要由繼電器矩陣組成。繼電器(DS2Y-S-DC5V型)起了充電/ 放電電路自動切換開關的作用，默認狀態(tài)為常閉狀態(tài)，即采集板輸出端給出低電平信號時， 電池處于充電狀態(tài)，當采集板輸出端給出高電平信號時，繼電器吸合，響應電流約為100mA， 常閉端斷開，常開端閉合，切換至放電電路，電池處于放電狀態(tài)。繼電器矩陣一般設置四組 并聯的繼電器，對應四個電子負載，分別控制四個待測電池的充放電，并由采集控制模塊的 四個I/O控制輸出端輸分別控制。兩個電磁繼電器為一組，兩個電磁繼電器正端與正端、負端與負端相并聯，構成一 個繼電器矩陣，并由該矩陣控制一組待測電池進行充放電測試，要實現多路測量時則需要 有多路繼電器矩陣，每個矩陣對應于一組待測電池，電池端電壓則由采集控制模塊不同的 采集端CH1 CH4采集，經不同的I/O控制輸出端D01 D04分別加以控制。具體連接方 式如下電源+5V輸出接繼電器矩陣(1 4)正端，電壓采集板電壓采集端CH1 CH4分 別接待測電池1 4的正極，電壓采集板控制輸出端D01 D04分別串聯二極管D1 D4， 電阻R1 R4后分別接三極管T1 T4的b極，各三極管的c極分別接電磁繼電器線圈負 端。各待測電池負極和采集板GND端連接，對于每一組待測電池而言，均有一電子負載來保 證電路的工作模式，如在恒流充放電模式下保證電路中電流恒定。圖2中只有一組繼電器 矩陣，可用來測試一組待測電池。(對于多組情況四個繼電器矩陣、四個三極管T1 T4， 四個控制輸出端D01 D04，四個二極管D1 D4，四個電子負載的圖中未畫出。)參照圖3:PC機上控制電壓采集板的Labview程序工作流程如下在手動設置好電子負載的工作模式后，開始1，再選擇兩種工作模式，即先充后放 2和先放后充2’。對先充后放而言，先對電池充電3，采集電池端電壓V與預先設定的電池 充電電壓上限Vmax進行比較4，若電池端電壓高于Vmax則切換電路，電池放電5，反之則電 池繼續(xù)充電3，電池在放電過程則比較V與Vmin大小6，若V低于Vmin則切換電路，電池進 入充電3，反之則繼續(xù)放電5，直至結束測試7 ；而對先放后充來說，電池先處于放電狀態(tài)3’， 比較V與Vmin 4’，若V小于Vmin則進行充電5’，反之則繼續(xù)放電3’，電池在充電過程中則
6比較V與Vmax大小6’，如果V大于Vmax則電池放電3’，如果V小于Vmax則繼續(xù)充電5’， 直到結束測試7’。參照圖4:數據采集板各個模塊工作原理如下上位機采集卡的指令發(fā)出者，所有指令均由上位機發(fā)送，然后采集卡接收后按指 令動作，并將動作的結果上傳回PC機(即為圖1中的PC，以下同)，利用PC機強大的運算 功能進行數據處理；USB接口 現代通信系統(tǒng)中非常普遍而且通用的即插即用的一種總線形式；幾乎 所有計算機及便攜設備中均具備的接口，使用方便，接口小巧，在通信的同時提供了設備使 用的電源；USB控制器主要負責數據的傳輸管理；CPU中央處理器核心負責管理所有外設，數據的處理分析；以及將數據在各外設 間進行傳輸協調；A/D模數轉換器模塊上位機通過USB總線發(fā)送過來的指令數據，經由USB控制器 傳送到CPU中央處理器后，中央處理器進行數據解析，判斷上位機的指令的意義以及動作 的參數，并將參數值轉發(fā)給A/D轉換器，A/D轉換器按指令里面指定的通道進行數據采集 (以參考源為參考)，并將采集最初的二進制的碼傳輸給CPU，CPU進行數據解碼以后，重新 打包發(fā)送給USB控制器，指控制其將數據回傳給PC機，PC機接收到信息再作相應分析；D/A數模轉換器模塊PC機通過USB總線發(fā)送過來的指令數據，經由USB控制器傳 送到CPU中央處理器后，中央處理器進行數據解析，判斷PC機的指令的意義以及動作的參 數，并將參數值轉換成芯片識別的二進制碼，轉發(fā)給D/A轉換器，D/A轉換器再按指令的二 進制碼，參照參考源輸出電壓；DI數字輸入模塊PC機通過USB總線發(fā)送過來的指令數據，經由USB控制器傳送 到CPU中央處理器后，中央處理器進行數據解析，判斷PC機的指令的意義以及動作的參數， 然后CPU并行一次性獲取8輸入DI上面的值，重新打包發(fā)送給USB控制器，指控制其將數 據回傳給PC機，PC機接收到信息再作相應分析；DO數字輸出模塊PC機通過USB總線發(fā)送過來的指令數據，經由USB控制器傳送 到CPU中央處理器后，中央處理器進行數據解析，判斷PC機的指令的意義以及動作的參數， 然后CPU并行一次性將8輸出DI值更新出去；PWM脈寬調制模塊PC機通過USB總線發(fā)送過來的指令數據，經由USB控制器傳 送到CPU中央處理器后，中央處理器進行數據解析，判斷PC機的指令的意義以及動作的參 數，CPU將PWM的參數值(包括頻率，占空比，單邊沿還是雙邊沿等值更新到PWM的寄存器 里面)，PWM脈沖得以更新輸出；WDT看門狗模塊此模塊由CPU獨立操作，無須上位機干預，用以保障系統(tǒng)的安全 運行；當出現異常情況時，此模塊能將系統(tǒng)重新復位到正常狀態(tài)。參照圖5:該圖為Labview主程序界面，對樣品電池進行恒流充放電測試圖形，橫軸為充放 電時間，縱軸為電池電壓。在程序中可以設置電壓上下限、電壓采樣周期、循環(huán)次數、曲線樣 式等等參數，并且可以將記錄的數據導入Origin等軟件進行進一步處理。通過該恒流充放
7電圖形可以得到電池相關性能參數，如圖所示VoCV為電池開路電壓，Vmax為設置的充電 電壓上限，Vmin為設定的放電電壓下限，VI為放電起始電壓，、為充電開始時間，t2為充電 終止時間，t3為放電終止時間，有了這些參數就可以得到電池的內阻r= (Vmax-Vl)/I，其 中1(電流大小可以預先根據用戶要求通過電子負載進行設定，在測試過程中也可進行更 改，其數值可以在IT8511電子負載的顯示屏中直接讀出，再通過將該電流大小代入計算公 式，參與程序運算，即可得到待測電池的相關參數)為放電電流大?。浑姵氐某潆婋娏縌c和
放電電量Qd ；電池的庫侖效率= # x 100% = ^f-x 100% 二 x 100%，以及電池循環(huán)
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壽命等等一些表征電池性能的重要參數。實驗過程中可以隨時保存結果，如有突發(fā)情況還 可以強制結束程序，使用簡單方便，準確度較高，安全可靠，非常適合實驗室測試使用。本實用新型也可以采用PC機通過COM端口與每個電子負載的COM 口連接，通過PC 機自動設置各電子負載的參數，直接參與程序運算。本實用新型的實施效果該系統(tǒng)也可以用于測試超級電容器，通過調節(jié)高精度電子負載的不同工作模式， 可以得到電池在不同運行狀態(tài)下的性能，結果準確。通過程序控制，本裝置可與電腦相互聯 機，自動完成數據采集、記錄、作圖等功能(參考附圖5)，電路簡單方便，功能多樣化，減少 人工干預，免維護，可節(jié)約大量時間，與市場上銷售的大型電池測試系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)組成 元器件常見易得，價格低廉，節(jié)約大量成本，并且安全可靠，非常適合于實驗室用來對二次 電池進行測試研究。
權利要求智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，其特征在于該裝置包括電源模塊、電子負載、采集控制模塊、PC機、充放電模塊五部分；其中電源模塊的輸出連接電子負載和充放電模塊，待測電池經充放電模塊與電子負載連接，采集控制模塊的信號采集端連接待測電池，控制端連接充放電模塊，采集控制模塊并通過USB數據線與PC機聯機。
2.根據權利要求1所述的智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，其特征在于所述采集控制模塊主要包括電壓采集板、二極管和三極管，充放電模塊主要由繼電器 矩陣組成；其中電壓采集板的電壓采集端CH1與GND端分別與待測電池正、負極相連，I/O 控制輸出端D01串聯二極管D1和電阻R1后再接三極管T1的b極，三極管T1的e極接地， c極連接電磁繼電器矩陣的負端，繼電器線圈的正端連接電源模塊的輸出端，電壓采集板與 PC機之間通過USB數據線進行通訊；所述電源模塊包括變壓器、整流橋、濾波電容和三端穩(wěn) 壓管組成，穩(wěn)壓管腳1為輸入，腳2為輸出，腳3接地，腳2分別連接繼電器矩陣的正端和電 子負載的正端。
3.根據權利要求2所述的智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，其特征在于所述電磁繼 電器矩陣包括兩個電磁繼電器，兩個電磁繼電器并聯，構成一組繼電器矩陣。
4.根據權利要求2所述的智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，其特征在于所述采集控 制模塊的電壓采集板有四路采集輸入端CH1 CH4，分別控制四組繼電器矩陣和電子負載， 各組繼電器矩陣按照并行方式連接。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，其特征在于所 述PC機的COM端口與電子負載的COM 口連接。
專利摘要本實用新型提供一種智能化電池循環(huán)充放電測試裝置，該裝置價格低廉、精度高、穩(wěn)定性好的的二次電池自動充放電測試裝置，該裝置可對二次電池的主要參數進行測定，性能安全可靠，具有廣泛的應用前景。該裝置包括電源模塊、電子負載、采集控制模塊、PC機、充放電模塊五部分；其中電源模塊的輸出連接電子負載和充放電模塊，待測電池經充放電模塊與電子負載連接，采集控制模塊的信號采集端連接待測電池，控制端連接充放電模塊，采集控制模塊并通過USB數據線與PC機聯機。
文檔編號G01R31/36GK201765310SQ20102010155
公開日2011年3月16日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權日2010年1月26日
發(fā)明者沈臨江, 王新生, 袁丕方, 謝志春, 顧大偉 申請人:南京工業(yè)大學