應急出口燈充放電設備設計

范方川

（昌河飛機工業（集團）有限公司 江西景德鎮 333002）

一、引言

鎳鎘電池以壽命長、安全性高、可以大電流放電、耐過充放電、可低溫工作等優點在工業領域、航空航天領域大量應用。但是鎳鎘電池也具有一些缺點，如自放電較大，具有記憶效應，電池的電壓和容量非線性。因此鎳鎘電池的充電管理是一個比較復雜的難題，同時也很難通過檢測電池的電壓來判斷電池的健康狀況。

為解決上述問題，在充分理解應急出口燈和研究鎳鎘電池組電化學特性的基礎上，提出并設計了一種應急出口燈充放電設備。

二、技術要求

（一）設備功能需求概述

應急出口燈充放電設備為一獨立的便攜式電子設備，應滿足部隊外場、總裝現場、實驗室測試等應用環境。該設備既可以作為應急出口燈的專用測試設備，通過專用電纜連接應急出口燈，可同時對兩件應急出口燈進行充放電操作，并可對應急出口燈的性能進行檢查；也可以單獨連接鎳鎘電池（組），對電池（組）單獨進行參數測試、充放電操作等。

應急出口燈充放電設備的設計，應充分考慮人機功效、可靠性、維護性、操作簡便性，方便操作人員使用。

（二）詳細技術要求

①充電功能

◆涓流充電

涓流充電可以抵消電池組的自放電，隨時保持電池組為滿電狀態。0.03 ItA～0.05 ItA

◆標準充電：60mA×16h。用戶可自定義標準充電電流。

◆快速充電：300mA×2.4h。用戶可自定義快速充電電流。

②放電功能。標準放電：120mA。放電終止電壓：1.0V。用戶可自定義放電電流。

③容量檢測功能：實時顯示電池容量，并能自定義充電終止容量及放電終止容量。

三、設備硬件設計

（一）系統組成

系統由可編程恒壓恒流模塊、可編程電子負載模塊、可編程容量檢測模塊等構成。

可編程恒流恒壓模塊用于實現涓流充電、標準充電和快速充電功能；可編程電子負載用于實現放電功能；可編程容量檢測模塊配合電子負載模塊實現容量檢測功能。

（二）可編程恒流恒壓模塊

可編程恒流恒壓模塊用于實現涓流充電、標準充電和快速充電功能。其設計參數為：

輸入：直流48V DC

輸出：電壓0V-36V DC可編程，分辨率0.01V

電流0-5A DC可編程，分辨率0.01A

基準電壓：2.5V

接口：RS485

其工作原理如圖1所示。

圖1 可編程恒流恒壓模塊原理框圖

其核心為一個同步BUCK拓撲結構的DC-DC變換器，通過運算放大器構成電壓/電流反饋環，電壓/電流基準來自于CPU的DAC，因此通過改變DAC的輸出電壓即可改變變換器的輸出電壓/電流。CPU與外部通過RS485通信，通過RS485主控模塊進行通信，接收主控模塊的指令，根據主控模塊的指令調整DC-DC的輸出電壓/電流，以適應不同的電池組電壓和電流，標準充電和快速充電。

（三）可編程電子負載模塊

可編程電子負載模塊的功能是實現對電池進行放電，以及配合容量測試模塊對電池組的容量進行測試。

其工作原理為一個典型的恒流源。運放、NMOS管、三極管和采樣電阻一同構成了一個恒流源，恒流源的恒流值受運放正極電壓的控制。運放正極的電壓來自于CPU內置DAC的輸出，因此改變DAC的輸出電壓即可改變恒流源的恒流值。CPU與外部通過RS485通信，通過RS485主控模塊進行通信，接收主控模塊的指令，根據主控模塊的指令調整恒流源的恒流值，以設置不同的放電電流大小。

（四）可編程容量檢測模塊

本設備對電池容量的檢測采用經典的電流對時間積分的方法，通過可編程電子負載模塊對被測電池進行放電，同時檢測電池的放電電流和端電壓，通過對放電電流進行積分，通過電池端電壓作為放電終止的條件，即可獲得電池的容量。

因此可編程容量檢測模塊只需要實現對電池放電電流的測量和電池端電壓的測量即可，其余功能由軟件實現。其工作原理如圖2所示。

圖2 可編程電子負載模塊原理框圖

被測電池在進行容量檢測前先充滿電，檢測容量時通過可編程電子負載進行放電。放電電流通過采樣電阻進行采樣，經運放調理后，送ADC：LTC2440進行AD轉換；同時電池端電壓經過電阻分壓后，經運放調理后，也送ADC：LTC2440進行AD轉換。CPU獲得放電電流數據后，對時間進行積分，在此同時不斷檢測電池的端電壓，當電池達到設定的端電壓時，終止放電，那么此刻電流對時間的總積分即為電池容量。

CPU與外部通過RS485通信，通過RS485主控模塊進行通信，接收主控模塊的指令，根據主控模塊的指令設置放電終止電壓，控制容量檢測模塊的啟停。

四、上位機界面設計

（一）應急出口燈操作界面

當對應急出口燈進行產品充放電或性能測試時，首先將專用電纜連接好，上電后，進行上位機主界面。點擊應急出口燈充放電及測試界面的“進入”按鈕，進入應急出口燈操作界面。

圖3 應急出口燈測試操作界面示意

見圖3，進入應急出口燈測試操作界面后，首先可以利用該測試界面對應急出口燈的功能進行測試：

◆模式開關按下“準備”按鈕，并將應急出口燈供電使能開關按下“ON”，此時應急出口燈應處于充電狀態，觀察應急出口燈，應不亮；

◆再將應急出口燈供電使能開關按下“OFF”，此時應觀察到應急出口燈立即燃亮；

◆將模式開關按下“檢查”按鈕，不管供電使能開關處于“ON” 還是“OFF”狀態，都應觀察到應急出口燈燃亮；

◆將模式開關按下“斷開”按鈕，應急出口燈應不亮。

同時，也可以利用該界面，對應急出口燈里的蓄電池進行有效充放電控制（模式開關按下“準備”按鈕，供電使能開關處于“ON”）。圖10所示，為用戶通過右側軟鍵盤操作，選擇了標準充電模式，點擊確定后，會彈出左側活動窗，用戶可自定義充電電流。設置完成后，開始充電，此時，右下方充電實時顯示窗口會實時直觀顯示充電電流、進度等。其他模式就不作一一介紹。

該應急出口燈充放電設備可以按用戶要求，配置設備內部硬件模塊，同時對兩個應急出口燈進行測試、充放電。同時，上位機操作流程界面原理基本與上述操作一致。

（二）電池組充放電界面

單獨對電池組進行充放電管理時，同樣，從主界面點擊鎳鎘電池組充放電界面“進入”按鈕，進入電池組充放電界面。

圖3所示，為用戶通過右側軟鍵盤操作，選擇了標準充電模式，點擊確定后，會彈出左側活動窗，用戶可自定義充電電流。設置完成后，開始充電，此時，右下方充電實時顯示窗口會實時直觀顯示充電電流、進度等。其他模式就不作一一介紹。