鋰電池性能檢測系統的設計與實現

李　濤　張　彬　劉艷

(天津出入境檢驗檢疫局工業產品安全技術中心1，天津　300308；天津電氣科學研究院有限公司2，天津　300180)

鋰電池性能檢測系統的設計與實現

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(天津出入境檢驗檢疫局工業產品安全技術中心1，天津300308；天津電氣科學研究院有限公司2，天津300180)

摘要：為滿足鋰電池批量化和模塊化的檢測需求，同時實現檢測過程遠程控制的目的，設計了一種兩層分布式控制結構的鋰電池性能檢測系統。運用模塊化的設計思想構建系統，包括上位機部分、以STM32處理器為核心的控制模塊及外圍電路、鋰電池充放電控制模塊、信號采集模塊等。通過上位機操作，能夠實現恒壓充電、恒流充電、恒流放電等多種檢測工步。測試表明：系統運行良好，便于集中控制和管理；現場檢測單元具有較好的擴展性和維護性。

關鍵詞：STM32鋰電池脈沖寬度調制(PWM)閉環控制檢測系統信號采集遠程控制

0引言

隨著電子產品的普及，電源行業，特別是具有諸多優勢的鋰電池行業發展迅速。而鋰電池容量、性能參數是關乎其產業發展乃至電子產品更新的關鍵。本文基于STM32控制器，以脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)的充放電方式為基礎，設計開發了一種鋰電池性能檢測系統。檢測系統的底層采用模塊化的結構設計，可擴展至64組檢測模塊，同時完成最多512塊電池的測試工作。該系統既滿足批量化檢測任務的需求，又可確保系統的可靠性。通過程序設計能夠實現恒壓充電、恒流充電、恒流放電等多種檢測工步。上位機完成鋰電池充放電參數配置，可以對充放電過程實時控制。當過程中出現問題，操作人員能夠手動終止和暫停其進程。系統內置多個保護電路和措施，具有過流、過壓、過溫保護等功能。當充放電的實時指標超過預設參數，將立即觸發保護和報警程序，即終止整個系統的工作。系統的開發滿足《GB/T 18287-2013蜂窩電話用鋰離子電池總規范》的要求和市場檢測需求，并在可靠性、擴展性和維護性等方面有著明顯的優勢，且開發成本較低，具有較高的性價比。

1系統總體設計

檢測系統的拓撲結構如圖1所示。

圖1　檢測系統的拓撲結構圖

系統采用上位機和下位機構成的兩層分布式控制結構。上位機為基于工控機的用戶控制管理層，完成對檢測系統的遠程控制和人機交互功能；下位機為基于ARM處理器的現場檢測平臺控制層，完成鋰電池檢測組的充放電控制和檢測。系統采用PID算法結合閉環反饋控制方式,對鋰電池進行充放電管理，可提升充放電精度和可靠性。限于篇幅的原因，內阻檢測部分不在此討論。上位機通過CAN總線實現與現場檢測平臺控制器之間的通信，完成控制指令的輸入、相關數據的存儲和顯示等功能，進而完成對一個或多個現場檢測平臺的監控與信息集成。上位機可以經由現場檢測平臺控制器完成以下功能：①對現場檢測單元進行充放電工作模式的集中控制和數據采集；②采集檢測信息，在監控界面繪制鋰電池充放電參數實時曲線，并將測試數據存入數據庫，完成待測電池數據的實時管理；③當檢測完成后，將測試結果自動生成測試報告和數據記錄文件，為客戶或質量檢測人員提供依據。

下位機現場檢測平臺控制器是每組檢測單元的主控制器，以ST公司的STM32F103VCT6處理器為核心，負責對現場檢測單元進行管理，能夠實現以下功能：①對待檢測鋰電池進行電流、電壓、時間、容量、溫度、內阻等充放電參數和工作模式進行配置和下發控制命令，實現全部被測電池的充放電參數、檢測流程的統一；②監測現場檢測單元的運行狀態，避免出現過壓或過流現象。

2檢測系統硬件設計

2.1處理器及其外圍電路設計

下位機控制器選用基于ARM Cortex M3的低功耗嵌入式微處理器STM32F103VCT6，其憑借高性能與低成本的優勢被廣泛應用于工業控制、智能家電等領域。該芯片屬于大容量產品，工作頻率8 MHz，經倍頻后可達72 MHz。采用 LQFP100封裝，內置高速存儲器，擁有豐富的增強端口和外設[1]。

其外圍電路包括電源電路、復位電路、晶振電路和啟動電路。

①電源電路：STM32F103VCT6的供電范圍為2.2～3.6 V，本文采用AS1117-33CX電源轉換芯片將外部的DC12 V轉換為DC3.3 V。在輸出端并聯兩個鉭電容，容量分別為 100 μF 和 0.1 μF，用于穩定電路，并在一定程度上加強對波紋的抑制[2]。+3.3 V電源電路如圖2所示。

②復位電路：處理器的NRST 是復位引腳，當該引腳為低電平時控制器復位。同時，系統還設有手動復位鍵。

圖2　+3.3 V電源供電電路圖

③晶振電路：系統中接有8 MHz的晶振，并且可以倍頻到72 MHz。而32.768 MHz的有源晶振用來給RTC提供時鐘信號[3]。

④啟動電路：處理器的BOOT0和BOOT1引腳是啟動功能引腳，本系統的這兩個引腳均接地，即系統直接從內部Flash的程序中啟動。

2.2充放電控制模塊

檢測系統共有8個檢測平臺，每個檢測平臺含有8個檢測單元。每個檢測組的充放電控制模塊由信號輸出電路、電能轉換電路和保護電路3部分組成。

STM32控制器對上位機發送的給定充放電壓和電流數據進行處理，并將控制指令和電壓、電流輸出信號傳輸至PWM控制器。同時信號反饋模塊將采樣的電壓、電流等反饋信號送至STM32控制器，與給定值進行比較，并由內部程序實現PID 算法調節的恒壓/流充電、恒流放電閉環控制。

2.2.1信號輸出電路

為了完成對電池更精確的充放電，通過PID 算法調整數據，決定輸出控制信號。由于存在電路損耗、模擬信號的干擾等原因，造成設定電壓電流總是與實際輸出電壓電流之間存在偏差。為了解決這一問題，采用設定值與實際輸出值間的閉環負反饋調節思想，由 STM32 編程實現對電壓、電流的反饋控制，進而修正設定值[3]。即STM32將由PID算法調節的數字控制信號經AD5590芯片的D/A轉換為模擬量，再經過相應比例的調理放大后送至PWM控制器。同時將采樣的鋰電池充放電電壓和電流數據送至STM32進行反饋比較，修正對充放電原始給定值的設定。

2.2.2電能轉換電路

本部分主要由工作模式選擇電路、PWM控制器、DC/DC轉換電路和信號采樣電路構成。由于充電與放電功能部分的工作原理是相似的，本文僅就充電功能部分進行闡述。PWM 控制器采用TL494芯片，接收信號采樣單元回饋的信號以及STM32控制輸出的給定信號。經比較，PWM控制器輸出所需要的脈沖寬度，進而使DC/DC轉換電路輸出所需的電壓電流，完成對鋰電池恒流、恒壓充電操作。STM32控制器可以按照設定的程序對工作模式選擇電路發送控制信號，選擇恒流、恒壓充電方式。充電過程檢測如圖3所示。

圖3　充電過程檢測框圖

2.2.3保護電路

系統的過電壓、過電流檢測及保護電路能夠有效保護鋰電池的充放電過程。消除操作過程中出現的過壓、過流的現象，一方面保護鋰電池的性能和品質，另一方面也避免了由于過充或過放電使鋰電池溫度升高發生爆炸等事故。過壓檢測及保護電路如圖4所示。

圖4　過壓檢測及保護電路圖

將系統的過壓和過流值分別設置為5 V和2.5 A，這里僅以過壓檢測為例說明，通過設置可調電阻R34的值，與R30進行比例分壓即可完成過壓值的設置。信號反饋單元采集的信號與設定值進行比較后，如出現高出設定值的過壓或過流，指示燈點亮報警，并輸出高電平信號至控制器，停止充電操作。

2.3信號采集模塊

系統的信號采集部分負責對鋰電池的電壓、電流和溫度進行實時檢測，進而在上位機準確反映出鋰電池的參數變化，以便對其性能狀態進行評估。同時，能夠實時監控系統的安全運行狀態。

信號采集部分的工作流程：先通過測量電路和傳感器采集鋰電池的待測信號，經過信號調理及A/D 轉換后送至現場控制器STM32，最后通過CAN總線通信方式傳輸至上位機對數據進行處理。

2.3.1信號采樣與調理電路

在實際檢測環境下，信號采集環節存在著諸多的干擾，同時本系統所檢測的鋰電池容量及充放電流均很小，所測信號比較微弱，易受干擾，對測量結果有較大影響。基于此，本文采取在被測電池的負極串聯采樣電阻的電流檢測方案，將所測電流先轉換為電壓信號，再進行換算處理。即系統對電壓、電流信號的檢測轉換為對電壓信號的處理，本文僅對電流信號采集部分進行闡述。

放大電路原理圖如圖5所示。在電池負端串聯一個5 W、20 mΩ的精密電阻，測量該電阻兩端的電壓，再經放大、調理后送至A/D轉換器。實際檢測中,流經采樣電阻的最大電流為2.5 A，因充放電的電流方向相反，所以其兩端最大電壓差為±0.05 V，其中-0.05～0 V為放電范圍，0～0.05 V為充電范圍；實測中得到的最小電流為0.05 A，采樣電阻兩端壓差為±0.001 V。因此，本文選用兩級放大電路將采樣電壓先放大50倍，則采樣電阻兩端最大電壓差由±0.05 V放大至±2.5 V。再進行電壓補償，使采樣電壓范圍變為0～5 V，以滿足A/D轉換的范圍不會溢出。一級放大電路如圖5(a)所示。

一級放大電路的輸入輸出關系為：

U1=-R16/R12(1+2R14/R13)(U+-U-)

(1)

式中：U+和U-分別為采樣電阻兩端電壓；R14=R15，R12=R11。

二級放大電路由低通濾波器和反相比例放大電路構成。采樣信號在前期調理的過程中，由于信號微弱，且存在一定的尖峰干擾，設計中需要加RC低通濾波電路除去干擾信號[4]。二級放大電路原理圖如圖5(b)所示。

圖5　放大電路原理圖

二級放大電路的輸入輸出關系為：

U2=(-R21/R20)×U1

(2)

采樣電阻上的電壓差經放大后，再經電壓補償，得到0～5 V的電壓，以滿足A/D轉換的范圍。補償電路原理圖如圖6所示。

圖6　補償電路原理圖

2.3.2A/D轉換電路

系統現場檢測以8塊鋰電池為一組，分別進行電壓、電流信號采集，因此每組共16路數據，進而需要選取有16路模擬輸入接口的A/D轉換器。由前面章節內容可知，充放電控制電路及鋰電池上采樣到的電流、電壓信號按上述方案已進行了前期的調整處理，使得采集到的電流信號、電壓信號均轉換為0～5 V范圍的電壓信號。控制器STM32的I/O接口通過模擬SPI 接口實現與AD5590半雙工通信。

A/D轉換器是數據采集環節的核心器件,其性能直接影響采樣的精度[5]。系統選用AD5590作為A/D轉換芯片。AD5590是一款集成A/D、D/A轉換的芯片。本文AD5590的D/A轉換部分負責系統充放電控制模塊的電壓電流輸出，A/D轉換部分負責將充放電過程采樣到的信號進行數字量化處理。

2.3.3溫度信號測量電路

本文選用DSl8B20數字溫度傳感器作為測溫元件，且采用與處理器直接相連接的測溫方案。

處理器STM32F103VCT6的PB0引腳通過一支4．7 kΩ上拉電阻器與DSl8B20的溫度輸出端DQ相連，為DSl8B20提供驅動能力。當STM32和DSl8B20釋放數據線時，將數據傳輸線變為高電平。處理器通過該導線對傳感器初始化并完成溫度采集[6]。

DSl8B20供電方式有寄生供電和電源直接供電兩種。本系統采取外部供電方式，能夠提高溫度信號轉換效率[7]。

STM32將存儲的溫度數據上傳至上位機，當溫度值超過預設的溫度上限，上位機將輸出聲光電警報。

3結束語

本文針對鋰電池性能檢測要求和現有的工作狀況，提出了一種模塊化設計思想的兩層分布式控制結構。上位機為控制管理層，完成對檢測系統工步參數的設置和數據采集等人機交互功能；下位機為現場檢測平臺控制層，完成鋰電池檢測組的充放電控制和檢測。采用PID算法調節結合閉環反饋控制方式對鋰電池進行充放電管理，使得系統具有較高等級的充放電精度,能夠準確反映產品品質，進而便于進行嚴格的評定與篩選。

同時系統內置多個保護電路和措施，具有過流、過壓、過溫保護等功能，當充放電的實時指標超過預設參數，將立即觸發保護和報警程序，即終止整個系統的工作。測試運行結果表明，該系統便于集中控制和管理，同時具有較好的充放電精度和可靠性。

參考文獻

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Design and Implementation of Performance Detection System for Lithium Battery

Abstract：In order to satisfy the requirements of batch and modularized detection for the Lithium battery,and realize remote control of the detection process,the two-layer distributed control structure of performance detection system for Lithium battery is designed.By using the modular design idea to build the system,including the host computer,the control module with STM32 processor as the core,peripheral circuits,the battery charging and discharging control module,and signal acquisition module,etc.Several detection procedures,e.g.,constant voltage charging,constant current charging,and constant current discharging,etc.,can be realized by the host computer.The tests show that the system is running well and convenient for centralized control and management,and the field detection unit has good expansibility and maintainability.

Keywords:STM32Lithium batteryPWMClose-loop controlDetection systemSignal acquisitionRemote control

中圖分類號：TH7;TP23

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605017

國家質量監督檢驗檢疫總局科技計劃基金資助項目(編號：2015IK276)；

天津檢驗檢疫局科技計劃基金資助項目(編號：TK037-2013);

天津檢驗檢疫局科技計劃基金資助項目(編號：TK096-2013)。

修改稿收到日期：2015-10-27。

第一作者李濤(1985-)，男，2011年畢業于天津理工大學控制理論與控制工程專業，獲碩士學位，工程師；主要從事電池產品性能檢測方向的研究。