蓄電池循環壽命測試系統設計分析

喬登耀，林曉煥

（西安工程大學 電信學院，陜西 西安 710048）

蓄電池是人類研發出的性能優異的儲能設備。風能和太陽能是大自然賜予我們永不枯竭的綠色能源，蓄電池于此結合后，會帶來巨大威力。發展電動汽車是減少空氣污染的有效措施，但是蓄電池的使用壽命也是當下關鍵。而每個廠家的產品質量不同，需要對電池的循環壽命進行檢測。本課題設計了基于TMS320F2812的DSP芯片為控制中心，由高性能的A/D轉換器TLC2543和D/A轉換器MAX538等構成的蓄電池循環壽命檢測系統。同時易于計算機相連，形成一個自動的檢測網絡

1 蓄電池的壽命檢測

電源的壽命包括使用壽命（電源在失效前經過多次的充放電過程中總共的可放電時間）、充放電壽命（電源失效前可重復放電的總次數）和儲存壽命（電池失效前在不工作的放置狀態下可儲存時間）3種，一般所說的化學電源的壽命是充放電壽命（或稱為循環壽命），即在一定的充放電條件下，蓄電池的容量下降到某一條件值（通常以初始容量的某個百分數來表示）以前所能夠承受的充放電循環次數。

蓄電池的循環壽命檢測按如下的流程進行：放電階段——擱置階段——充電階段——擱置階段——放電階段——擱置階段——充電階段。氫—鎳電池充電階段先后分為恒電流充電階段和恒電壓充電階段。首先在恒電流充電階段中，隨著電池中電量的增加，電池的電壓逐步升高。當電池的電壓達到充電電壓峰值時，恒流充電階段既告結束，電池進入恒壓充電階段。在恒壓充電階段中，充電電流將逐步減少，當減少到設定值時，表示電池充滿電荷，充電階段結束。在第5步檢測中，通過檢測放電電流和放電時間就可以檢測電池容量。

2 基本充電方法介紹

2.1 恒壓充電

恒壓充電是將充電電壓規定在過充電區域內，而且在充電的工程中限制充電電流防止對蓄電池造成破換。充電開始階段由于電池兩端電壓較低，因此充電電流通常處于限制的充電電流值，隨著蓄電池電壓到達規定的充電電壓值后，充電電流隨之逐步降低，按指數下降，直至在某一點到達穩定。恒壓充電在初始階段充電電流處于規定數值，電流比較大，此階段充入很大的電量（60%左右），到達規定值后電流降低，每傳輸一定電量需要的時間也跟著增加，導致需要較長時間可以將剩余電量沖入電池。因此恒電壓充電方法具有能精確控制充電電壓，過充電非常小，能通過調節充電電壓和限流值來實現快慢速充電等特點，此時也存在充電末尾時間長，容易導致充電不足和容量降低，不能對電池組進行均衡充電，而浮充高規定流值進行快速充電時，充電后期會跟著電池老化而逐步增高，容易導致熱失控現象等缺點。

2.2 恒電流充電

恒電流充電方法通過利用恒定的電流源對電池進行充電來實現的。由于通常不對充電電壓進行控制，就此恒電流充電不受電池內單體電池電壓的影響，非常能實現均衡充電。可是在充電的進行中充電電壓大量時間處于高壓狀態，較易產生析氣和板柵腐蝕。恒電流充電由于充電電流恒定，可以較好的測量和控制充電電量，而由于缺乏電壓控制，單純的恒流充電可能導致嚴重過充電，電池產生析氣，干涸，析柵腐蝕等問題，從而電池壽命縮短導致電池損壞。

2.3 分階段充電

分階段充電是當前使用最多的蓄電池充電方法，由于蓄電池在充電過程中不同階段所處的狀態分別采用恒壓限流和恒流充電的策略，通常分為3個階段，即恒流充電階段、恒壓充電階段和涓流充電階段。在充電初期由于電池的充電接受率比較高；用較大電流進行恒流充電方法，來使電池快速沖入電量，蓄電池的端電壓逐步增高，將到達規定電壓時電池內部反應比較劇烈，如果還以大電流就會導致析氣，因此變換為恒壓充電，在恒定的充電電壓下充電；當電池電流降低到較小的值時電池已經充進大部分電量，接著進入涓流充電階段，就此用小電流進行持續補足充電，來充入剩下的電量并持續補足電池的自放電引起的電量，以保證在結束充電前蓄電池的狀態為滿。

三階段式充電是結合恒壓恒流充電的特點，全面考慮充電的時間，蓄電池安全和恒流效果等原因而采用的折中方法，可是由于其核心思想仍是傳統的恒壓恒流方法，隨著電池老化可能導致充電不足而產生蓄電池過早失效，然而充電時間依舊很長，不能達到當今的要求。

3 系統硬件設計

硬件主要包括：TMS320F2812、A/D D/A接口電路和充放電電路。

3.1 TMS320F2812和A/D D/A接口電路

這部分電路是整個控制系統的中心，主要包括TMS320F2812和 A/D電路轉換器 TLC2543、D/A轉換器MAX538電路。TLC2543是11通道的12位模數轉換器，它具有輸入通道多、精度高、速度快、使用靈活和體積小的優點。在本系統中分別使用TLC2543的通道0和通道1構成對蓄電池的實時電壓和電流的采樣，采樣結果在LCD上顯示。TMS320F2812和TLC2543的鏈接電路如圖1所示。

圖1 TLC2543的接口電Fig.1 TLC2543 interface circuit

MAX538電路是12位的串行D/A轉換器，具有快速轉換轉、高精度、低功耗等優點。它很合適電池檢測、電池供電測試儀器、計算機移動控制裝置、手機等領域。MAX538電路非常簡單，只需3條線與TMS320F2812的I/O相連就可以通信。如圖2所示。

圖2 TMS320F2812與MAX538的連線Fig.2 MAX538 connection to the TMS320F2812

3.2 充放電電路

系統的充放電電路如圖3所示。在該電路的節點V+和V-之間接入待測蓄電池的正負極，當繼電器的K1雙擲開關合到上面時為充電狀態，反之為放電狀態。該電路能實現鋰電池的恒流充電和恒壓充電，及恒流放電。恒流電路主要由運算放大器A1和A2組成，其中A1級是差分放大電路，差分電路的輸入是從R22兩端反饋回來的電壓UR22=UI+--UI-=IR22其中 I是充電電流，輸出時 UAD0，只要調整 UAD1，UAD0將隨之改變，從而調整鋰電池充電電流I。參考電壓UAD1是由MAX538的輸出提供，通過改變TMS320F2812的輸入到MAX538的控制字可以改變輸出UAD1，從而得到所需要的恒流充放電電流，在恒流充電過程中隨著電池電量的增加，電池電壓將會升高。恒壓電路由運算放大器A3和A4組成，其中A3級也是差分放大電路，其輸入是電池反饋回來的電壓UBATTERY=UV+--UV-選R13=R14=R15=R16，則經A3級差分放大后輸出UAD1=UBATTERY若給定1.2 V，則當電池恒流充電到電池電壓達到1.2 V時，電路轉為對電池進行恒壓充電。在恒壓充電過程中，隨著氫—鎳電池電量的增加，電池電壓保持不變，而充電電流將逐步減少，當電流充電到設定值時，充電過程結束。

R19、Q1和D2構成充放開關電路，決定充放電回路是否導通。當輸入端CON2為1時，三極管Q1和二極管D2都導通，則三極管Q2基極被嵌在低電平，因此Q2不能導通，此時場效應管不工作，電池也就不能進行充放電。反之，則允許系統對電池放電。顯然，該電路具有保護作用，當充放電過程中電池的電壓和電流發生異常時，立即置CON2為1，切斷充放電過程。為了提高系統的穩定性，系統電阻采用精密電阻，且在每個運算放大器的正負電源與地之間都接入104的鉭電容，起去耦作用。

圖3 充放電電路Fig.3 Charging and discharging circuit

4 上位機監測見面設計

充放電作為在線檢測系統的上位機部分，其主要任務是下位機檢測數據的統計顯示、圖標生成與存儲功能。本設計將采用C++編程語言實現，具有較好的人機交互界面。

4.1 界面顯示功能

上位機界面主要顯示充電器在充放電進行中的原邊電流，電壓和充電電流，電壓，電池容量及溫度。每個顯示部分包括曲線圖形式表示隨時間的變化電壓（電流）幅值、容量變化值和以數字量表示的即時電壓（電流）幅值。其中曲線圖坐標設有改變橫坐標值箭頭，便于細化觀察值曲線變化。

4.2 存儲功能

系統存儲主要包括數據存儲和曲線圖像存儲。存儲方式分為自動存儲和手動存儲兩種。所有信息將存儲在一個隨系統程序運行時自動生成的文件夾內。

自動存儲：包括即時數據（電壓，電流，容量，充電狀態，時間）和充電狀態發生轉變前后的曲線圖形。

手動存儲：則是根據用戶需求，點擊界面上的存儲波形按鈕，存儲感興趣波形。

5 電池循環壽命的程序設計及測試分析

5.1 影響循環壽命的因素

5.1.1 放電深度

循環壽命與放電深度有著直接關系。通常來說，加大放電深度會降低蓄電池的循環壽命。在系統初始設計中，可以用這些實驗數據，來采用規定電池放電深度的策略得到所需的循環壽命。隨著放電深度的加大，電極內部引起的應力增大，進而導致蓄電池壽命下降。還有該過程還涉及電極的機械膨脹和收縮、鋅電極的溶解問題及電化學問題。

圖4 系統軟件程序設計Fig.4 System software program design

圖5 鎳鋅電池的放電中點電壓與循環次數關系Fig.5 Discharge midpoint voltage and recycle number relationship

5.1.2 溫度的的因素

溫度也是影響循環壽命的一個重要因素，同時影響著蓄電池的各個方面。總體來說，鎳系列堿性電池在10～30攝氏度下性能最好。超出這個溫度的范圍，蓄電池的性能和循環壽命都將會降低。如果系統的設計和應用環境能保證電池工作在最合適的溫度范圍內，將會得到很好的性能和較長的循環壽命。

5.1.3 失效機理

先前的鎳鋅電池的失效機理包含鋅的遷移、鋅電極的變形、枝晶短路和纖維素基隔膜的水解。當今這些問題都已基本上獲得了解決。通過應用低溶解的鋅酸鈣電極技術，枝晶短路和變形問題實際得到了消除。此外，鋅的遷移也很大的減少，隔膜體系也獲得大幅度改善，纖維素基隔膜也被穩定的聚合物鋅遷移屏障材料所代替。密封鋅鎳蓄電池的失效原理主要有兩種：鋅電極的失效和電池的干涸。

即使應用了地溶解度的鋅酸鈣電極，鋅電極在堿性電解質中仍還有一定的溶解度。鋅可以在電解質中生成復合鋅酸根離子，而后擴散到整個蓄電池中。一部分鋅酸根沉積在鎳電極的孔隙中，如此會影響鎳電極，更影響蓄電池的性能，而且這也可以產生電池容量逐漸下降的其中一個原因。

5.2 循環壽命測試

在100%深度放電情況下，鋅鎳電池循環壽命能達400次以上。循環壽命在非常大的程度上決定于具體使用情況，影響原因有放電電流、放電深度、充電制度、過充電量、濫用程度、環境溫度以及力學環境。在電池進行充放電循環時，蓄電池內部產生物理變化和劣化導致電池容量逐步下降。對于具體的電池設計，此種容量的逐漸下降屬于正常情況，并且能預見。系統的設計能在總體產品規格和設計中指明蓄電池的老化狀況。在100%放電深度下，電池在容量下降到額定值的80%以前可以進行450次循環。在循環壽命末期，電池容量衰減呈現增大現象，然而此種情況能看作是電池將要失效的一個早期預示。

鋅鎳電池的但電池的電壓特性與循環壽命的關系如圖5所示，所示圖中給出了放電中點電壓與循環壽命的關系。放電中點電壓被定義為電池在放電時的帶負載電壓，放電中點是基于蓄電池的放電容量來確定。循環中電池應用100%深度放電，以C/2率（15 A）充放電。如在此加速測試條件下，蓄電池每天累計進行3次循環，然而在非常多數的應用中，電池每天僅循環一次。能看出，與容量逐步減少類似，蓄電池的負載放電電壓也跟著循環次數的增加而逐步下降。引起電壓下降的原因是，隨著電極逐漸變干涸，電極慢慢產生劣化，因此導致電池電阻逐步增大。當電池可以承受所施加的放電電流時，電壓的衰減按呈現線行狀、可預測的。而一旦當電池不能承受這一電流時，也就沒法提“失效”。如果這時減小放電電流，蓄電池可以繼續工作，并仍能放出80%以上的額定容量，能循環差不多500次。每一組數據都是在蓄電池放電深度是100%的情況下測出來的。

蓄電池的壽命是以電容下降到某一特定值前能夠承受的充放次數。恒流法的放電容量與放電電流有很大關系，并且放電溫度、充電制度、擱置時間等都會對電容有影響。在同樣的放電制度下，不同的充電制度對電池的充放電效率不一致，因此電池的放電容量也會有區別。同樣，在相同的充電制度下，擱置10 min與擱置1 h再進行放電容量的測試，其結果也會有2%～5%的差別，具體視電池的自放電性能絕定。電池的壽命檢測時間較長，常用的循環壽命檢測設備都與上計算機相連。在檢測時可預先設定檢測的參數，通過計算機或檢測設備的控制面板發送參數至檢測設備。發送時保證參數的準確無誤。

6 結 論

本系統結合蓄電池生產的實際問題，實現了蓄電池循環壽命參數檢測的實時性，并結合PC機實現在線檢測和圖形化人機交互。還有測試系統精度好、數據記錄全、實現了高精度低成本的設計需求，可以很好的發展前景。

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