一種單體電池測(cè)試系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種單體電池測(cè)試系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以測(cè)試多種電池，在手動(dòng)方式下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電或者放電設(shè)置、電池充放電電流設(shè)置、串口參數(shù)設(shè)置、繼電器組設(shè)置、充電上限電壓設(shè)置、放電截止電壓設(shè)置。在自動(dòng)方式下，在設(shè)置時(shí)序負(fù)載文件后，可自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行充電或者放電測(cè)試，無需人工干預(yù)，此系統(tǒng)屬于獲得鋰離子電池特性數(shù)據(jù)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]通常電池測(cè)試儀監(jiān)測(cè)電壓等參數(shù)，在電池容量不足時(shí)精度會(huì)下降。常用的電池測(cè)試儀操作人員能設(shè)定的參數(shù)很少，比較簡陋，而工業(yè)上使用的電池測(cè)試儀成本高，體積大，不易攜帶，并且工業(yè)中使用PTC陶瓷電阻，溫度漂移較大，適合測(cè)試規(guī)模比較大的電池。在這種情況下，限于成本和便攜性，需要體積適中，適應(yīng)性好的電池測(cè)試系統(tǒng)。
[0003]本設(shè)計(jì)使用康銅電阻，溫漂小，體積重量適中，方便攜帶，測(cè)試出的電池曲線比較準(zhǔn)確，并且有自動(dòng)與手動(dòng)兩種模式，可靠性比較高，可以適應(yīng)不同的需求。基于FPGA技術(shù)，功能豐富。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]單體電池測(cè)試系統(tǒng)主要是為獲得鋰離子電池特性數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的。測(cè)試方式有兩種，分別是手動(dòng)和自動(dòng)。在手動(dòng)方式下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電或者放電設(shè)置、電池充放電電流設(shè)置、串口參數(shù)設(shè)置、繼電器組設(shè)置、充電上限電壓設(shè)置、放電截止電壓設(shè)置，但是電池充放電開始后，需要手動(dòng)停止電池充放電。在自動(dòng)方式下，在設(shè)置時(shí)序負(fù)載文件后，可自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行充電或者放電測(cè)試，無需人工干預(yù)。無論在哪種工作方式，電池充放電開始后，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄時(shí)標(biāo)、電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)并在圖形顯示界面顯示電壓電流圖形。充放電完成后，可以把記錄的數(shù)據(jù)保存成EXCEL文件格式。
[0005]本實(shí)用新型一種單體電池測(cè)試系統(tǒng)，它包括硬件和軟件兩部分。
[0006]硬件部分:包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、電子負(fù)載儀、直流穩(wěn)壓電源和恒溫箱，彼此之間相互連接，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行測(cè)試。該計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)控制顯示設(shè)備，實(shí)現(xiàn)圖形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和功能控制；該數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括兩個(gè)子模塊，分別是主卡和子卡，主卡對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施控制，包括與上位機(jī)的通信，主卡主要包含低功耗、低電壓和小電流元件，子卡實(shí)現(xiàn)具體功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)子卡上的具體模塊的控制，子卡包括大功率，大電流的元件，包括溫度采集模塊，電子負(fù)載儀，直流穩(wěn)壓電源和恒溫箱；該電子負(fù)載儀有比較完善的保護(hù)功能，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充放電并設(shè)定電壓與電流參數(shù)，電子負(fù)載儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池恒流充電，其主體是恒流源電路，可以在上位機(jī)上設(shè)定電流電壓參數(shù)，通過主卡與子卡控制電子負(fù)載儀，對(duì)鋰離子電池進(jìn)行測(cè)試；該直流穩(wěn)壓電源有三個(gè)分別負(fù)責(zé)給主卡供電的直流穩(wěn)壓電源I，為繼電器供電的直流穩(wěn)壓電源2和為鋰離子電池供電的直流穩(wěn)壓電源3，這些直流穩(wěn)壓電源比較穩(wěn)定，保證系統(tǒng)的順利運(yùn)行；該恒溫箱避免外界溫度影響，在測(cè)試給定的鋰離子電池時(shí)，避免了溫度波動(dòng)影響測(cè)試結(jié)果。
[0007]軟件部分:包括上位機(jī)采集控制軟件和N1s II控制軟件；上位機(jī)控制軟件可以進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，系統(tǒng)的開始與關(guān)閉等設(shè)置并可以查看數(shù)據(jù)；N1s II控制軟件下載到核心板，控制除上位機(jī)外的整個(gè)電路的運(yùn)行，確保系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
[0008]圖2是主卡和子卡實(shí)物圖。
[0009]圖3是主卡和子卡結(jié)構(gòu)框圖。附圖4，5，6，7，8是子卡的分割細(xì)化，是實(shí)際運(yùn)用的幾個(gè)模塊的電路圖，最后使用串口進(jìn)行通信。
[0010]根據(jù)圖2中電路引入的端口符號(hào)，它們之間的位置連接關(guān)系是:
[0011]在系統(tǒng)工作時(shí):J1的功能是繼電器供電電源接插件，J2功能是核心設(shè)備供電電源接插件，J3功能是主卡和子卡信號(hào)接插件，J4是主卡和子卡信號(hào)接插件，J5是串口 1DB9接插件，J6是串口 2DB9接插件，J7是電子負(fù)載儀接入接插件，J8是溫度傳感器接入接插件，J9是被測(cè)電池接入接插件，JlO是電池充電電源接入接插件。主卡與子卡的連接關(guān)系如下:主卡的J3插座對(duì)應(yīng)于子卡的J3插針。主卡的J4插座對(duì)應(yīng)于子卡的J4插針。子卡J3插針對(duì)應(yīng)主卡的J3插座。子卡J4插針對(duì)應(yīng)主卡的J4插座。子卡J2接插件，低電壓核心元件供電電源。子卡J2接插件，繼電器供電電源子卡JlO接插件，電池充電供電電源子卡J9接插件，電池子卡J7接插件，電子負(fù)載。
[0012]圖4，圖5，圖6，圖7，圖8電路工作說明如下。
[0013]溫度采集模塊:見圖4。本測(cè)量系統(tǒng)的溫度采集模塊采用熱電阻式溫度傳感器，利用金屬材料的電阻隨溫度的變化而變化的特性來實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。本模塊采用Pt10鉑電阻金屬測(cè)溫電阻器和信號(hào)調(diào)理電路把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，把溫度變化范圍(-50°C，50°C )轉(zhuǎn)換成電壓變化范圍(0v，+2.5v)，查PT100分度表不同溫度阻值?？紤]到數(shù)據(jù)采集傳感器和鋰離子電池之間有一定距離，PtlOO溫度電阻器采用三線制接入信號(hào)調(diào)理模塊電流米集模塊電路。
[0014]電流采集模塊見圖5，采用茶花公司利用霍爾效應(yīng)生產(chǎn)的具有閉環(huán)補(bǔ)償作用的電流型霍爾傳感器CSM015NPT。為了提高傳感器的線性度、精度，減少溫度漂移，優(yōu)化響應(yīng)時(shí)間，提高頻率效應(yīng)帶寬，傳感器利用反饋方法。CSM015NPT的原邊線圈電阻是0.18πιΩ，若在信號(hào)通路中流過1A電流時(shí)，其造成的壓降是1.8mv，相對(duì)于電池電壓可以忽略。當(dāng)CSM015NPT原邊線圈通過同相電流15A時(shí)，其副邊線圈輸出電壓3.125v ;原邊線圈流過反向15A電流時(shí)，其副邊線圈輸出電壓1.875v ;原邊線圈無電流流過時(shí)，其副邊線圈輸出電壓2.5v。為了與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)范圍更接近，故在其后加入信號(hào)調(diào)理電路，使電壓幅度衰減一半。在這種情況下，當(dāng)被采集電流范圍[_15A，15A]時(shí)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路輸出電壓為[0.9375，1.5625v]。
[0015]繼電器通路模塊電路:見圖6。繼電器Kl到K7選擇匯科電器公司高容量型單刀雙擲直流5V繼電器ΗΚ14Π1與歐姆龍繼電器G2R-1-E相兼容。繼電器通路由繼電器驅(qū)動(dòng)器FZT705和繼電器ΗΚ14??構(gòu)成。控制線圈額定電壓直流5V，額定電流106mA，線圈電阻47 Ω。觸點(diǎn)，在直流30V情況下，額定電流16A，接觸電阻ΙΟΟπιΩ。繼電器驅(qū)動(dòng)器:FZT705，是一個(gè)PNP型高電壓、高電流達(dá)林頓三極管，輸入可接低電壓邏輯電路，輸出可接功率負(fù)載(最大2A)。
[0016]電池充放電電流控制電路:見圖7。對(duì)電池充電與放電時(shí)電流的控制，可采用兩種方法，其一由電子負(fù)載儀直接控制，其二由數(shù)據(jù)采集板上的電子負(fù)載控制。下面對(duì)方法二進(jìn)行詳細(xì)說明，板載電子負(fù)載模塊由隔離、DA、運(yùn)放、MOSFET管和康銅絲電阻構(gòu)成。功率MOSFET管:IRF540N，開啟電壓2.0?4.0V,在態(tài)電阻44m Ω，最大功率50W。通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器，數(shù)字量輸入范圍[0，4096]轉(zhuǎn)變成[0v，2.048v]電壓，經(jīng)過電壓電流變換電路轉(zhuǎn)變成[0A，20A]電流，因此經(jīng)過上面的電路，負(fù)載電流可控制。
[0017]電池電壓隔離模塊電路:見圖8。為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，故對(duì)模擬量電池電壓進(jìn)行模擬量隔離，隔離后送入AD轉(zhuǎn)換模塊。差分運(yùn)放把電池帶有共模電壓的差分電壓轉(zhuǎn)成單端對(duì)地電壓后，送入線性光耦隔離電路，經(jīng)過隔離后直接融入ADC采集通道。
[0018]模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊:模數(shù)轉(zhuǎn)換器:AD7938-6，625KSPS，8通道采樣，并行接口的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
[0019]圖9是上位機(jī)采集控制軟件界面。上位機(jī)采集控制軟件是在MATLAB的⑶I環(huán)境下設(shè)計(jì)的，主要包括文件操作、控件的使用、對(duì)話框的使用、定時(shí)器的使用和串口編程等。
[0020]優(yōu)點(diǎn)與功效:在手動(dòng)方式下，可實(shí)現(xiàn)人工干預(yù)，功能豐富。在自動(dòng)方式下，在設(shè)置時(shí)序負(fù)載文件后，可自動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行充電或者放電測(cè)試，無需人工操作。手動(dòng)與自動(dòng)方式下，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)記錄時(shí)標(biāo)、電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)并在圖形顯示界面顯示電壓電流圖形并保存。
【附圖說明】
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[0021]圖1總體結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖2主卡與子卡實(shí)物圖。