基于DSP的蓄電池容量性能測試儀的設計

儲開斌，陳樹越，何寶祥

(常州大學信息科學與工程學院，江蘇 常州 213164)

蓄電池作為后備電源，已廣泛地應用在計算機網絡、通信、電子、電動車等領域。如果蓄電池失效或容量不足，就有可能造成重大事故[1]。同時隨著電動汽車技術的發展，作為電動汽車核心部件之一的蓄電池也將有著更廣的發展和應用前景。因此有必要對蓄電池的運行參數和性能進行全面的檢測。

目前國內市場上現有的蓄電池性能檢測設備絕大部分功能不完善，測量精度低。國外進口的蓄電池檢測設備雖然功能全，但是價格昂貴，因此研制一款測量精度高、功能完善和性價比合理的蓄電池性能測試設備，對于電動汽車及大量使用蓄電池系統的領域有著重要的作用和意義。該蓄電池容量性能測試儀能實現對蓄電池的容量及性能進行檢測，生成蓄電池的性能參數報告。借助該測試報告，可找出影響蓄電池使用性能的因素，為蓄電池的使用及蓄電池的性能改善、技術改進、維護提供科學依據，對延長蓄電池的使用壽命及續航能力有著重要的作用和意義。

1 系統測試原理

蓄電池容量性能測試儀主要用于蓄電池生產企業實驗室或質監局抽檢蓄電池的容量、壽命等參數，對精度要求非常高。蓄電池容量測試方法很多：有核對放電法、內阻測試法等。該測試采用公認精確度高的核對放電（AH）法測量。壽命測試采用循環充放電測試法，根據容量小于標準值的百分比來計算壽命。

系統主要包括充電模塊、放電模塊及系統控制等組成。充電模塊含：恒壓充電、恒壓限流充電、恒流充電及恒流定時充電，放電模塊含：恒流放電、恒功率放電及恒電阻放電等功能。測試時，根據蓄電池的類型及測試指標設置工作流程及參數。

容量測試，以恒流放電方式為例。先對蓄電池充滿電，靜置一段時間后，再對其進行放電，放電電流穩定在設定值。放電過程中每隔一分鐘（時間可設定）采樣一次電壓和電流值，隨著電池不斷放電，電壓逐漸下降，當電壓下降到設定的放電下限電壓值時，放電過程完成。此時，便可根據放電電流及放電時間計算該蓄電池的容量。并與標準值比較，判斷其性能是否符合要求[2]。

壽命測試是通過循環充放電來實現。由于充電方式的不同對蓄電池壽命的影響較大，所以在測試時采用較成熟的三段式充電方式。首先對蓄電池進行恒流限壓充電，當電壓上升到一定值時，再轉入恒壓充電，當恒壓充電的充電電流小于設置值時，轉入涓流充電，直至充電完成。將蓄電池放置約十分鐘左右，再對其進行放電。如此反復進行，直到檢測到電池總容量小于設定值時，則蓄電池的壽命終了。通過充放電循環的次數、蓄電池的壽命及測試曲線、結果等相關信息來分析蓄電池的壽命。

2 系統硬件設計

系統由DSP控制模塊、電壓電流檢測模塊、充放電電流控制模塊、時鐘電路、上位機通信模塊、液晶顯示及打印驅動模塊等組成。系統原理框圖如圖1所示。

圖1 系統原理框圖

2.1 DSP控制模塊

為了滿足電壓及電流測試精度、實時數據處理、在線顯示與報警、上位機通信及打印等功能等要求，微控制器采用TI公司推出的TMS320F2812定點32位DSP芯片。TMS320F2812工作頻率達到150 MHz，具有強大的信號處理能力，又具有強大的事件管理器能力和嵌入式控制能力，能夠實現復雜的控制算法。器件上集成了許多先進的外圍設備，包括：JTAG邊界掃描接口、時鐘和系統控制電路、外圍中斷擴展模塊、3個32位CPU定時器、兩個異步通信接口SCI、串行外設接口SPI、增強型CAN總線、SPI模式的多通道緩沖串口McBSP、12位16通道A／D轉換器、56個獨立可編程的多路通用輸入／輸出(GPIO)引腳等[3]。TMS320F2812處理前級送來的電壓電流信號，對蓄電池充放電電流精確控制。并根據測試參數計算容量，分析蓄電池性能，生成測試報表。

2.2 電壓電流檢測模塊

電壓電流采集模塊由信號調理電路及模／數（A/D）轉換電路組成，電路如圖2所示。信號調理電路選用TI公司的OP07，電路結構采用差分式減法電路。該電路結構不僅可以抑制蓄電池本身的共模信號，而且可以抑制測試環境中的干擾信號，性能優越。

圖2 電壓電流檢測電路

電壓跟隨器，作為放大電路與A/D轉換器的中間隔離級，降低測量誤差。A/D使用TMS320F2812內置12位A/D，不僅簡化了系統設計復雜度，而且節省了儀器成本[4]。

2.3 充放電模塊

充放電模塊是系統的核心，用于充放電時對充放電電流進行精確控制。由D/A及三極管電路組成，電路如圖3所示。

圖3 充放電控制電路

TLV5618是兩通道12位串行D/A轉換器，一個通道控制放電電流，一個通道控制充電電流。充電電流控制電路由三極管T1～Tn組成。R1～Rn串聯于三極管發射極，用于平衡并聯三極管參數的差異性。二極管用于極性保護。當系統發出充電指令后，三極管導通，經市電整流濾波后的直流電源VCC通過三極管對蓄電池充電。取樣電阻R0將充電電流轉換成電壓信號，經調理電路放大后送入A/D進行轉換得到數字量，與設定的電流值進行比較，若比較結果不一致，則DSP輸出一個誤差信號經D/A轉換后，送到三極管基極，控制基極電流，從而控制集電極的充電電流，通過對其大小進行調整，最終使充電電流與設定值達到一致。

放電電流控制電路與充電電流控制電路相似，由三極管T11～T1n組成放電。每路三極管的發射極串聯一阻值為20 Ω的大功率電阻，作為放電回路的負載。放電電流也是由取樣電阻R0檢測，放電電流的大小由DSP經D/A控制三極管的基極電流來實現。但由于充電流與放電電流方向相反，所以在電流調理電路中，通過電子開關對電流信號實現極性轉換，然后再送到A/D中。

該測試儀的充放電模塊采用線性方案，以減小誤差，結果更加真實。保證了蓄電池容量及壽命的測試精度。由于系統工作于線性狀態，充放電電流較大，所以功率損耗大，在設計中加入散熱裝置，以保證系統安全穩定地工作。

2.4 時鐘電路

對于蓄電池的壽命測量，需要經長時間多循環充放電才能實現。在循環充放電過程中，需要在充電及放電后靜置一段時間，整個測試過程可能需要幾天甚至十幾天，測試中要記錄充放電時間及循環次數等參數，這就要求系統有精確計時功能。系統采用專用DS12C887時鐘芯片，作為數據采集、定時及實時控制提供精確地時間基準和同步信號[5]。

2.5 上位機通信模塊

RS-485通信具有控制芯片成本低廉、技術成熟、支持半雙工通信方式，只需采用2條平衡差分信號線就可以同時進行數的發送和接收，并支持多點連接，允許創建多達32個節點的網絡。該形式的網絡可將所有設備并聯掛接在兩條通信總線上，極大地增強了網絡組成的靈活性。從網絡增加或移除一個設備時，只需將該設備從通信總線接入或斷開，不會影響網絡結構和其它設備的正常工作。為實現多個蓄電池容量性能測試儀網絡化測試，系統與上位機采用RS-485通信接口，上位機軟件可以同時對多臺測試儀發送測試命令，同時回收多個儀器的測試數據實現較少的主控機的接口資源便可以管理盡可能多的設備。通過該接口實現多臺儀器的組網及數據上傳功能。

3 系統軟件設計

軟件的設計分DSP軟件及上位機軟件兩部分。

3.1 DSP軟件設計

系統工作時，DSP對各路電壓、電流采樣，并實時顯示。同時，在測試過程中，控制充放電電流大小、充放電時間，記錄測試過程中的電壓與電流參數等功能。流程圖如圖4所示。系統先執行初始化程序；啟動A/D，將各通道電壓與電流數據讀出；判斷是否有上位機標志，處理上位機命令或傳送數據至上位機；將各通道數據在液晶屏顯示；再判斷是否有按鍵按下，根據不同鍵值轉相應子程序。圖5為充放電電流閉環控制流程圖。

圖4 系統主流程圖

圖5 充放電電流控制流程圖

3.2 上位機軟件設計

測試儀具有單機及上位機聯網工作兩種方式。當測試儀與上位機相連時，上位機可直接發送測試命令，接收和處理測試數據。上位機軟件采用VC++6.0開發完成，可以同時對多臺測試儀進行網絡控制，發送測試命令，設置系統參數、測試流程。同時采集多個測試儀的測試數據包括電壓、電流、循環次數等，并保存。該系統對蓄電池測試時的界面及結果如圖6所示。

圖6 上位機軟件及測試結果

4 結論

本測試儀實現了蓄電池的容量與壽命等指標的測試。測試精度高，穩定性及精度都符合國標對蓄電池性能測試的要求。為研究分析和評價蓄電池的性能進行全面的檢測，具有較高的應用價值和市場前景。可廣泛應用于各類動力電池、后備電池的質量檢測，蓄電池售后、汽車4S店等對蓄電池質量檢測服務，蓄電池配組指標檢測以及電力、電信、交通等進行待測蓄電池容量壽命檢測的應用場合。

[1]孫紅輝，徐海波，綦海龍，等.智能蓄電池性能測試儀的研制[J].中國儀器儀表，2004（9）：18-20.

[2]RUDDELL A J，DUTTON A G，WENZL H.Analysis of battery current microcycles in autonomouss renewable energy systems[J].Journal of Power Source，2002，112：531-546.

[3]宋雨潭.DS12C887及其在智能化儀器儀表中的應用[J].黑龍江水專學報，2002(9)：87-89.

[4]MOSELY P T.Characteristic of a high-performence lead/acid battery for electric vehicles-an ALABC view[J].Journal of Power Source，1997，67：115-119.

[5]LUISA SORIA M，VALENCIANO J，OJEDA A.Development of ultra high power，valve-regulated lead-acid batteries for industrial applications[J].Journal of Power Source，2004，136：376-382.