電池充放電測(cè)試系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法研究

董雅順

（蘇州市計(jì)量測(cè)試院，江蘇 蘇州 215128）

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)對(duì)于新能源大力推薦，充電電池因其環(huán)保優(yōu)勢(shì)被廣泛用于各行各業(yè)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，充電電池由小型的電子設(shè)備和電動(dòng)設(shè)備轉(zhuǎn)到了大型的電動(dòng)工具中，如電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車，促進(jìn)了電池行業(yè)這個(gè)電動(dòng)設(shè)備的核心產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。電池在使用中如果存在不當(dāng)或者缺少維護(hù)，會(huì)造成電池性能下降，甚至出現(xiàn)安全問(wèn)題。因而電池充放電測(cè)試儀在整個(gè)電動(dòng)設(shè)備發(fā)展中就顯得很重要，該儀器能夠及時(shí)對(duì)電池檢測(cè)充放電性能。充電電池的安全性能主要是依靠電池充放電測(cè)試儀檢測(cè)的準(zhǔn)確度，因此電池充放電測(cè)試儀計(jì)量的特性是否準(zhǔn)確就非常重要[1]。

1 充放電測(cè)試儀測(cè)試原理與計(jì)量特性

當(dāng)前所使用的充放電測(cè)試儀都具備多種測(cè)試功能，可以做到多通道共同充放電測(cè)試。電池充放電測(cè)試儀最主要的工作就是充電和放電兩個(gè)過(guò)程。

1.1 充電過(guò)程

使用恒流充電法充電時(shí)，充電電源需要在充電過(guò)程中一直保持電流維持在恒定的數(shù)值，但隨著充電的進(jìn)行，電池能夠承受電流的能力會(huì)逐漸降低，當(dāng)?shù)竭_(dá)充電后期，充電電流多用于電解水因而產(chǎn)生氣體。使用恒壓充電法進(jìn)行充電，充電過(guò)程中需要保證充電電壓一直保持在一個(gè)額定數(shù)值上，但隨著蓄電池內(nèi)的電壓升高，電流就會(huì)開(kāi)始減少。相對(duì)恒流充電法，此方法充電更加接近完美的充電曲線。雖然這種方法電解水相對(duì)較少，能夠有效防止過(guò)充的情況，但是存在一個(gè)比較大的弊端，就是前期因?yàn)殡娏鞣浅４螅菀自斐尚铍姵仉姌O板發(fā)生彎曲，直接影響到蓄電池的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)可能造成電池直接報(bào)廢。最好的方式就是用恒流與恒壓兩種方式交替充電，前期通過(guò)恒流的方式進(jìn)行充電，能夠急速地讓電池達(dá)到額定的電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)額定電壓后換為恒壓方式對(duì)剩余部分進(jìn)行充電。

1.2 放電過(guò)程

在放電過(guò)程中電池充放電測(cè)試儀是類似電子負(fù)載的狀態(tài)。放電過(guò)程有恒定電阻、恒定電流和恒定功率3種放電方式，通過(guò)設(shè)置模式對(duì)電流或功率消耗以達(dá)到恒定。在實(shí)際中最常用的放電方式就是恒定電流放電。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，使用蓄電池作為電源供電，進(jìn)行恒定電流放電，產(chǎn)生的電流參數(shù)值作為主要校準(zhǔn)的對(duì)象[2]。

2 充放電測(cè)試儀校準(zhǔn)措施

目前，在我國(guó)使用的比較多的方式就是通過(guò)精準(zhǔn)比較高的數(shù)字多用表和標(biāo)準(zhǔn)電阻再加上一些輔助元件組組合，得到用于校準(zhǔn)的檢測(cè)平臺(tái)，再通過(guò)該平臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)。使用這種組合式的檢測(cè)平臺(tái)只能對(duì)電壓和電流存在示值誤差時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，無(wú)法對(duì)電池持續(xù)放電時(shí)間以及電池實(shí)際容量進(jìn)行測(cè)量，更無(wú)法對(duì)實(shí)際使用過(guò)程中出現(xiàn)損耗情況進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。作為電動(dòng)汽車和電動(dòng)自行車動(dòng)力的電池組，在測(cè)試中還需要考慮更多方面。因此，需要先對(duì)常規(guī)使用方法進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的描述，尋找能夠?qū)﹄姵爻浞烹姕y(cè)試進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)的方式。

2.1 對(duì)充放電電壓進(jìn)行校準(zhǔn)

常規(guī)的電池充放電測(cè)試儀因?yàn)槭嵌嘀亟M合的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，一般體積都比較大，且拆卸比較復(fù)雜。如果出廠時(shí)就進(jìn)行校準(zhǔn)，由于體積比較大，會(huì)給運(yùn)輸造成較大的難度。因而一般校準(zhǔn)工作都會(huì)選擇現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行這種方式。對(duì)組裝好的電池充放電測(cè)試儀進(jìn)行電壓的校準(zhǔn)一般采用的是標(biāo)準(zhǔn)電壓源和標(biāo)準(zhǔn)電壓表兩種校準(zhǔn)方法[3]。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)電壓源法校準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)電壓源法的原理就是使用標(biāo)準(zhǔn)電壓源所提供的標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。調(diào)整時(shí)，首先需要保證需要進(jìn)行調(diào)校的電池充放電測(cè)試儀是處在擱置狀態(tài)的，再對(duì)量程進(jìn)行合理選擇，再選擇有效的校準(zhǔn)點(diǎn)與之結(jié)合進(jìn)行調(diào)校。這種檢測(cè)方法能夠?qū)α砍谭秶鷥?nèi)的任何一點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，調(diào)校中對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電壓源的準(zhǔn)確度要求比較高。如果調(diào)校等級(jí)要求很高，所需要的電壓源準(zhǔn)確度也會(huì)相應(yīng)的提高。不過(guò)此類電壓源也存在體積大的問(wèn)題，攜帶不方便，并且對(duì)于調(diào)校時(shí)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也有較高的要求。

2.1.2 標(biāo)準(zhǔn)電壓表法校準(zhǔn)

使用標(biāo)準(zhǔn)電壓表法進(jìn)行校準(zhǔn)需要提前設(shè)置電池充放電測(cè)試儀，將測(cè)試儀調(diào)整為恒壓充電模式，再用電阻模式對(duì)直流電子負(fù)載進(jìn)行設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電壓的校準(zhǔn)?，F(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，使用等級(jí)比較高的數(shù)字電壓表作為標(biāo)準(zhǔn)，將多個(gè)蓄電池進(jìn)行串聯(lián)來(lái)當(dāng)作直流電子負(fù)載，對(duì)產(chǎn)生的數(shù)值進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)方式能夠有效利用現(xiàn)場(chǎng)中已有的器件，不過(guò)存在電壓校準(zhǔn)值完全依賴于現(xiàn)場(chǎng)能夠提供的蓄電池的數(shù)量，以及能夠產(chǎn)生電量的大小。

2.2 充電電流的校準(zhǔn)

恒流充電模式是充放電測(cè)試儀對(duì)充電電流進(jìn)行校準(zhǔn)的主要模式。此時(shí)，電池充放電測(cè)試儀在檢測(cè)中充當(dāng)了類電流源的角色，對(duì)直流電子負(fù)載進(jìn)行恒流充電。在這種模式下，一般會(huì)采用標(biāo)準(zhǔn)電流表法、直流分流器法和電流傳感器法3種校準(zhǔn)方式，并在測(cè)試時(shí)，都要將直流電子負(fù)載設(shè)置為恒定阻值的模式。充電校準(zhǔn)時(shí)，對(duì)充電電流低于10 A的充放電測(cè)試儀，因其是等級(jí)比較低的充放電測(cè)試儀，一般用的是標(biāo)準(zhǔn)電流表法進(jìn)行校準(zhǔn)。這種校準(zhǔn)方式連線比較簡(jiǎn)單，測(cè)試比較方便，不過(guò)只能對(duì)處在標(biāo)準(zhǔn)電流表量程允許范圍內(nèi)的測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)。而處在中等等級(jí)劃分的電池充放電測(cè)試儀就可以使用直流分流器法作為校準(zhǔn)的方法。使用標(biāo)準(zhǔn)電壓表及標(biāo)準(zhǔn)電阻間接對(duì)充放電測(cè)試儀的充電電流做出校準(zhǔn)。由于校準(zhǔn)準(zhǔn)確度與標(biāo)準(zhǔn)電阻有著直接關(guān)系，因而在校準(zhǔn)時(shí)還要考慮到電阻運(yùn)行發(fā)熱使電阻阻值發(fā)生波動(dòng)的情況。對(duì)于充電電流大于幾百安培的電池充放電測(cè)試儀的校準(zhǔn)，首先選擇的就是電流傳感器法。電流傳感器是一種綜合性較強(qiáng)的校準(zhǔn)模式。此種方式是先將大電流通過(guò)電流傳感器按照一定的變比轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)槟軌蜻M(jìn)行方便測(cè)試的小電流后使用標(biāo)準(zhǔn)電流表進(jìn)行測(cè)試及校準(zhǔn)。

2.3 充放電測(cè)試儀放電校準(zhǔn)

采用恒定電流放電這種模式進(jìn)行校準(zhǔn)是電池充放電測(cè)試儀進(jìn)行放電電流校準(zhǔn)的主要形式。此時(shí)電池充放電測(cè)試儀就等于是電子負(fù)載，通過(guò)設(shè)定好的消耗數(shù)值在穩(wěn)定的直流電源中進(jìn)行放電，采用與充電電流校準(zhǔn)方式相類似的校準(zhǔn)方式，在恒定電流的放電模式下，使用充電電流的3種方式進(jìn)行校準(zhǔn)[4]。

3 智能測(cè)試系統(tǒng)在電池充放電測(cè)試儀中的應(yīng)用

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的電池充放電測(cè)試系統(tǒng)不斷應(yīng)用到生活中。此種測(cè)試方式使用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具備了更高的實(shí)時(shí)性與可靠性。智能電池充放電測(cè)試系統(tǒng)在原有測(cè)試系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，擁有了直流內(nèi)阻測(cè)試、與第三方設(shè)備關(guān)聯(lián)等新型功能，能夠靈活進(jìn)行擴(kuò)展，能夠適應(yīng)不同用戶的需求。測(cè)試系統(tǒng)在使用設(shè)備時(shí)將運(yùn)行獲得的關(guān)鍵信息實(shí)時(shí)存入云服務(wù)器中，將結(jié)果及時(shí)通知用戶，讓用戶能夠及時(shí)對(duì)發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行處理，有效提升測(cè)試的效率以及準(zhǔn)確性。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在總體設(shè)計(jì)中包含上位機(jī)、中位機(jī)、下位機(jī)系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)四部分。上位機(jī)主要作用是對(duì)設(shè)備運(yùn)行做出編輯，對(duì)設(shè)備具體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，將測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)記錄并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。中位機(jī)主要是起到通信橋梁作用，連接著上位機(jī)與下位機(jī)，將兩者之間的數(shù)據(jù)及命令進(jìn)行傳遞，以實(shí)現(xiàn)對(duì)通道并聯(lián)和脫機(jī)運(yùn)行進(jìn)行管理，與第三方設(shè)備進(jìn)行對(duì)接。下位機(jī)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)最終的執(zhí)行體，對(duì)需要完成的測(cè)試任務(wù)做出相應(yīng)的控制流程，對(duì)通道進(jìn)行控制并充放電，將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并上傳。最后通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將設(shè)備運(yùn)行的有效關(guān)鍵信息進(jìn)行整體分析并存儲(chǔ)，以便需要時(shí)能夠隨時(shí)獲取[5]。

3.2 系統(tǒng)各模塊介紹

3.2.1 下位機(jī)系統(tǒng)介紹

下位機(jī)的電路主要分為交流側(cè)與直流側(cè)兩個(gè)部分，交流側(cè)部分主要是由三相PWM整流器組成，直流側(cè)由雙向Buck/Boost變換器組成。充電時(shí)，整流器對(duì)電流進(jìn)行整理，對(duì)直流母線提供穩(wěn)定電壓，并做到單位功率因數(shù)控制，而直流側(cè)通過(guò)變換器進(jìn)行降壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)處于放電時(shí)，直流側(cè)通過(guò)變換器轉(zhuǎn)變?yōu)樯龎耗Ｊ剑髌鲗㈦妷哼M(jìn)行逆變，保持直流母線電壓處在穩(wěn)定的狀態(tài)下，同時(shí)將釋放的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行反饋。在充放電時(shí)使用電壓、電流雙閉環(huán)進(jìn)行控制，對(duì)輸出電壓與電流就能夠做到精確控制。因此，只需要對(duì)策略組合給定信號(hào)進(jìn)行改變就能夠?qū)崿F(xiàn)多種控制，從而能夠廣泛應(yīng)用在各種電池充放電設(shè)備中。

3.2.2 中位機(jī)系統(tǒng)介紹

作為上位機(jī)、下位機(jī)之間重要的傳輸紐帶，中位機(jī)系統(tǒng)的核心主要是互聯(lián)網(wǎng)通信電路、SPI電路及USB電路等。該系統(tǒng)的功能主要是與上位機(jī)、下位機(jī)進(jìn)行通信，接收從上位機(jī)上傳來(lái)的命令并進(jìn)行處理，生成任務(wù)文件并傳遞給下位機(jī)，接收從下位機(jī)傳輸?shù)姆答伜蛿?shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。如果處在脫機(jī)狀態(tài)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)已經(jīng)存在的命令文檔維持下位機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，將脫機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。該系統(tǒng)通過(guò)輔助通道對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣并傳遞給上位機(jī)。同時(shí)，該系統(tǒng)能通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將充放電測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)獲得的有效關(guān)鍵信息進(jìn)行傳輸，以便于需求者進(jìn)行獲取。最重要的是中位機(jī)有著豐富的第三方接口，方便掛載第三方設(shè)備或者對(duì)設(shè)備進(jìn)行完美擴(kuò)展。

3.2.3 上位機(jī)系統(tǒng)概述

上位機(jī)作為系統(tǒng)中人機(jī)交互的關(guān)鍵層，能夠直觀地將結(jié)果進(jìn)行展示，是給工作人員進(jìn)行命令發(fā)布的重要區(qū)域。上位機(jī)通過(guò)軟件的功能對(duì)電池充放電設(shè)備實(shí)施監(jiān)視、控制，接收中位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)顯示器顯示，對(duì)硬件進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，如果出現(xiàn)報(bào)警，需要排除問(wèn)題以保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.2.4 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在測(cè)試儀中的作用

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、管理云平臺(tái)以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用三部分組成。整個(gè)電池充放電系統(tǒng)最為關(guān)鍵的就是設(shè)備在運(yùn)行中通過(guò)中位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，再通過(guò)智能終端將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)管理平臺(tái)中。管理平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存，再借助物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)應(yīng)用及時(shí)地提供管理和故障報(bào)警服務(wù)。當(dāng)前比較流行的移動(dòng)APP、微信公眾號(hào)等都可以作為有效跟蹤設(shè)備運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)應(yīng)用，有利于用戶及時(shí)處理出現(xiàn)的問(wèn)題[6]。

4 結(jié) 論

電池充放電測(cè)試儀作為檢測(cè)電池充放電性能最為重要的設(shè)備，也需要與時(shí)俱進(jìn)，與物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行完美結(jié)合，從而讓檢測(cè)獲得的結(jié)果更加可靠。因此，加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在電池充放電測(cè)試中的應(yīng)用，同時(shí)也要加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)安全的保護(hù)。