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(fā)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(fā)展和應用前景。因此有必要對蓄電池的運行參數(shù)和性能進行全面的檢測。

目前國內市場上現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)對蓄電池的容量及性能進行檢測，生成蓄電池的性能參數(shù)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(jù)，對延長蓄電池的使用壽命及續(xù)航能力有著重要的作用和意義。

1 系統(tǒng)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(yè)實驗室或質監(jiān)局抽檢蓄電池的容量、壽命等參數(shù)，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(huán)充放電測試法，根據(jù)容量小于標準值的百分比來計算壽命。

系統(tǒng)主要包括充電模塊、放電模塊及系統(tǒng)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(jù)蓄電池的類型及測試指標設置工作流程及參數(shù)。

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(wěn)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(jù)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(huán)充放電來實現(xiàn)。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(huán)的次數(shù)、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(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)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(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)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(jù)測試參數(shù)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(shù)（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(huán)境中的干擾信號，性能優(yōu)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(tǒng)設計復雜度，而且節(jié)省了儀器成本[4]。

2.3 充放電模塊

充放電模塊是系統(tǒng)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(lián)于三極管發(fā)射極，用于平衡并聯(lián)三極管參數(shù)的差異性。二極管用于極性保護。當系統(tǒng)發(fā)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(shù)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(fā)射極串聯(lián)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(xiàn)。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(xiàn)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(tǒng)工作于線性狀態(tài)，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(tǒng)安全穩(wěn)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(huán)充放電才能實現(xiàn)。在循環(huán)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(huán)次數(shù)等參數(shù)，這就要求系統(tǒng)有精確計時功能。系統(tǒng)采用專用DS12C887時鐘芯片，作為數(shù)據(jù)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(shù)的發(fā)送和接收，并支持多點連接，允許創(chuàng)建多達32個節(jié)點的網絡。該形式的網絡可將所有設備并聯(lián)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(xiàn)多個蓄電池容量性能測試儀網絡化測試，系統(tǒng)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(fā)送測試命令，同時回收多個儀器的測試數(shù)據(jù)實現(xiàn)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(xiàn)多臺儀器的組網及數(shù)據(jù)上傳功能。

3 系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)等功能。流程圖如圖4所示。系統(tǒng)先執(zhí)行初始化程序；啟動A/D，將各通道電壓與電流數(shù)據(jù)讀出；判斷是否有上位機標志，處理上位機命令或傳送數(shù)據(jù)至上位機；將各通道數(shù)據(jù)在液晶屏顯示；再判斷是否有按鍵按下，根據(jù)不同鍵值轉相應子程序。圖5為充放電電流閉環(huán)控制流程圖。

圖4 系統(tǒng)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(lián)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(fā)送測試命令，接收和處理測試數(shù)據(jù)。上位機軟件采用VC++6.0開發(fā)完成，可以同時對多臺測試儀進行網絡控制，發(fā)送測試命令，設置系統(tǒng)參數(shù)、測試流程。同時采集多個測試儀的測試數(shù)據(jù)包括電壓、電流、循環(huán)次數(shù)等，并保存。該系統(tǒng)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(xiàn)了蓄電池的容量與壽命等指標的測試。測試精度高，穩(wěn)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.