鋰電池性能檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
相關(guān)鏈接： 中國(guó)安全網(wǎng) 中國(guó)質(zhì)量網(wǎng) 中國(guó)論文網(wǎng) 中國(guó)資訊網(wǎng)
李 滿1 張 彬1 劉艷昉2
（天津出入境檢驗(yàn)檢疫局工業(yè)產(chǎn)品安全技術(shù)中心1，天津300308；天津電氣科學(xué)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(cè)需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程遠(yuǎn)程控制的目的，設(shè)計(jì)了一種兩層分布式控制結(jié)構(gòu)的鋰電池性能檢測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)用模塊化的設(shè)計(jì)思想構(gòu)建系統(tǒng)，包括上位機(jī)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(hào)采集模塊等。通過(guò)上位機(jī)操作，能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓充電、恒流充電、恒流放電等多種檢測(cè)工步。測(cè)試表明：系統(tǒng)運(yùn)行良好，便于集中控制和管理；現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元具有較好的擴(kuò)展性和維護(hù)性。
關(guān)鍵詞：STM32鋰電池脈沖寬度調(diào)制（PWM） 閉環(huán)控制檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)采集遠(yuǎn)程控制
中圖分類號(hào)：TH7；TP23 DOI：10. 16086/j. cnki. issnl000 - 0380. 201605017
0 引言
隨著電子產(chǎn)品的普及，電源行業(yè)，特別是具有諸多優(yōu)勢(shì)的鋰電池行業(yè)發(fā)展迅速。而鋰電池容量、性能參數(shù)是關(guān)乎其產(chǎn)業(yè)發(fā)展乃至電子產(chǎn)品更新的關(guān)鍵。本文基于STM32控制器，以脈沖寬度調(diào)制( pulse widthmodulation，PWM)的充放電方式為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種鋰電池性能檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)的底層采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展至64組檢測(cè)模塊，同時(shí)完成最多512塊電池的測(cè)試工作。該系統(tǒng)既滿足批量化檢測(cè)任務(wù)的需求，又可確保系統(tǒng)的可靠性。通過(guò)程序設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)恒壓充電、恒流充電、恒流放電等多種檢測(cè)工步。上位機(jī)完成鋰電池充放電參數(shù)配置，可以對(duì)充放電過(guò)程實(shí)時(shí)控制。當(dāng)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，操作人員能夠
手動(dòng)終止和暫停其進(jìn)程。系統(tǒng)內(nèi)置多個(gè)保護(hù)電路和措施，具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)等功能。當(dāng)充放電的實(shí)時(shí)指標(biāo)超過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)，將立即觸發(fā)保護(hù)和報(bào)警程序，即終止整個(gè)系統(tǒng)的工作。系統(tǒng)的開發(fā)滿足《GB/T 18287 -2013蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》的要求和市場(chǎng)檢測(cè)需求，并在可靠性、擴(kuò)展性和維護(hù)性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，且開發(fā)成本較低，具有較高的性價(jià)比。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
檢測(cè)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)構(gòu)成的兩層分布式控制結(jié)構(gòu)。上位機(jī)為基于工控機(jī)的用戶控制管理層，完成對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和人機(jī)交互功能；下位機(jī)為基于ARM處理器的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)控制層，完成鋰電池檢測(cè)組的充放電控制和檢測(cè)。系統(tǒng)采用PID算法結(jié)合閉環(huán)反饋控制方式，對(duì)鋰電池進(jìn)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(nèi)阻檢測(cè)部分不在此討論。上位機(jī)通過(guò)CAN總線實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)控制器之間的通信，完成控制指令的輸入、相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和顯示等功能，進(jìn)而完成對(duì)一個(gè)或多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)的監(jiān)控與信息集成。上位機(jī)可以經(jīng)由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)控制器完成以下功能：①對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元進(jìn)行充放電工作模式的集中控制和數(shù)據(jù)采集；②采集檢測(cè)信息，在監(jiān)控界面繪制鋰電池充放電參數(shù)實(shí)時(shí)曲線，并將測(cè)試數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)庫(kù)，完成待測(cè)電池?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理；③當(dāng)檢測(cè)完成后，將測(cè)試結(jié)果自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告和數(shù)據(jù)記錄文件，為客戶或質(zhì)量檢測(cè)人員提供依據(jù)。
下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)控制器是每組檢測(cè)單元的主控制器，以ST公司的STM32F103 VCT6處理器為核心，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元進(jìn)行管理，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：①對(duì)待檢測(cè)鋰電池進(jìn)行電流、電壓、時(shí)間、容量、溫度、內(nèi)阻等充放電參數(shù)和工作模式進(jìn)行配置和下發(fā)控制命令，實(shí)現(xiàn)全部被測(cè)電池的充放電參數(shù)、檢測(cè)流程的統(tǒng)一；②監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)單元的運(yùn)行狀態(tài)，避免出現(xiàn)過(guò)壓或過(guò)流現(xiàn)象。
2檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1處理器及其外圍電路設(shè)計(jì)
下位機(jī)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(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家電等領(lǐng)域。該芯片屬于大容量產(chǎn)品，工作頻率8 MHz，經(jīng)倍頻后可達(dá)72 MHz。采用LQFP100封裝，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，擁有豐富的增強(qiáng)端口和外設(shè)。
其外圍電路包括電源電路、復(fù)位電路、晶振電路和啟動(dòng)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(zhuǎn)換芯片將外部的DC12 V轉(zhuǎn)換為DC3.3 V。在輸出端并聯(lián)兩個(gè)鉭電容，容量分別為100 μF和0.1μF，用于穩(wěn)定電路，并在一定程度上加強(qiáng)對(duì)波紋的抑制。+3.3 V電源電路如圖2所示。
②復(fù)位電路：處理器的NRST是復(fù)位引腳，當(dāng)該引腳為低電平時(shí)控制器復(fù)位。同時(shí)，系統(tǒng)還設(shè)有手動(dòng)復(fù)位鍵。
③晶振電路：系統(tǒng)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(lái)給RTC提供時(shí)鐘信號(hào)。
④啟動(dòng)電路：處理器的BOOT0和BOOT1引腳是啟動(dòng)功能引腳，本系統(tǒng)的這兩個(gè)引腳均接地，即系統(tǒng)直接從內(nèi)部Flash的程序中啟動(dòng)。
2.2充放電控制模塊
檢測(cè)系統(tǒng)共有8個(gè)檢測(cè)平臺(tái)，每個(gè)檢測(cè)平臺(tái)含有8個(gè)檢測(cè)單元。每個(gè)檢測(cè)組的充放電控制模塊由信號(hào)輸出電路、電能轉(zhuǎn)換電路和保護(hù)電路3部分組成。
STM32控制器對(duì)上位機(jī)發(fā)送的給定充放電壓和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將控制指令和電壓、電流輸出信號(hào)傳輸至PWM控制器。同時(shí)信號(hào)反饋模塊將采樣的電壓、電流等反饋信號(hào)送至STM32控制器，與給定值進(jìn)行比較，并由內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)PID算法調(diào)節(jié)的恒壓／流充電、恒流放電閉環(huán)控制。
2.2.1信號(hào)輸出電路
為了完成對(duì)電池更精確的充放電，通過(guò)PID算法調(diào)整數(shù)據(jù)，決定輸出控制信號(hào)。由于存在電路損耗、模擬信號(hào)的干擾等原因，造成設(shè)定電壓電流總是與實(shí)際輸出電壓電流之間存在偏差。為了解決這一問(wèn)題，采用設(shè)定值與實(shí)際輸出值間的閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)思想，由STM32編程實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓、電流的反饋控制，進(jìn)而修正設(shè)定值。即STM32將由PID算法調(diào)節(jié)的數(shù)字控制信號(hào)經(jīng)AD5590芯片的D/A轉(zhuǎn)換為模擬量，再經(jīng)過(guò)相應(yīng)比例的調(diào)理放大后送至PWM控制器。同時(shí)將采樣的鋰電池充放電電壓和電流數(shù)據(jù)送至STM32進(jìn)行反饋比較，修正對(duì)充放電原始給定值的設(shè)定。
2.2.2電能轉(zhuǎn)換電路
本部分主要由工作模式選擇電路、PWM控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換電路和信號(hào)采樣電路構(gòu)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(jìn)行闡述。PWM控制器采用TL494芯片，接收信號(hào)采樣單元回饋的信號(hào)以及STM32控制輸出的給定信號(hào)。經(jīng)比較，PWM控制器輸出所需要的脈沖寬度，進(jìn)而使DC/DC轉(zhuǎn)換電路輸出所需的電壓電流，完成對(duì)鋰電池恒流、恒壓充電操作。STM32控制器可以按照設(shè)定的程序?qū)ぷ髂Ｊ竭x擇電路發(fā)送控制信號(hào)，選擇恒流、恒壓充電方式。充電過(guò)程檢測(cè)如圖3所示。
2.2.3保護(hù)電路
系統(tǒng)的過(guò)電壓、過(guò)電流檢測(cè)及保護(hù)電路能夠有效保護(hù)鋰電池的充放電過(guò)程。消除操作過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)壓、過(guò)流的現(xiàn)象，一方面保護(hù)鋰電池的性能和品質(zhì)，另一方面也避免了由于過(guò)充或過(guò)放電使鋰電池溫度升高發(fā)生爆炸等事故。過(guò)壓檢測(cè)及保護(hù)電路如圖4所示。
將系統(tǒng)的過(guò)壓和過(guò)流值分別設(shè)置為5v和2.5 A，這里僅以過(guò)壓檢測(cè)為例說(shuō)明，通過(guò)設(shè)置可調(diào)電阻R34的值，與R30進(jìn)行比例分壓即可完成過(guò)壓值的設(shè)置。信號(hào)反饋單元采集的信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較后，如出現(xiàn)高出設(shè)定值的過(guò)壓或過(guò)流，指示燈點(diǎn)亮報(bào)警，并輸出高電平信號(hào)至控制器，停止充電操作。
2.3信號(hào)采集模塊
系統(tǒng)的信號(hào)采集部分負(fù)責(zé)對(duì)鋰電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而在上位機(jī)
確反映出鋰電池的參數(shù)變化，以便對(duì)其性能狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。同時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的安全運(yùn)行狀態(tài)。
信號(hào)采集部分的工作流程：先通過(guò)測(cè)量電路和傳感器采集鋰電池的待測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換后送至現(xiàn)場(chǎng)控制器STM32，最后通過(guò)CAN總線通信方式傳輸至上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
2. 3.1信號(hào)采樣與調(diào)理電路
在實(shí)際檢測(cè)環(huán)境下，信號(hào)采集環(huán)節(jié)存在著諸多的干擾，同時(shí)本系統(tǒng)所檢測(cè)的鋰電池容量及充放電流均很小，所測(cè)信號(hào)比較微弱，易受干擾，對(duì)測(cè)量結(jié)果有較大影響�；诖耍疚牟扇≡诒粶y(cè)電池的負(fù)極串聯(lián)采樣電阻的電流檢測(cè)方案，將所測(cè)電流先轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再進(jìn)行換算處理。即系統(tǒng)對(duì)電壓、電流信號(hào)的檢測(cè)轉(zhuǎn)換為對(duì)電壓信號(hào)的處理，本文僅對(duì)電流信號(hào)采集部分進(jìn)行闡述。
放大電路原理圖如圖5所示。在電池負(fù)端串聯(lián)一個(gè)5W、20 mΩ的精密電阻，測(cè)量該電阻兩端的電壓，再經(jīng)放大、調(diào)理后送至A/D轉(zhuǎn)換器。實(shí)際檢測(cè)中，流經(jīng)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士0. 05 V，其中-0.05～0 V為放電范圍，0～0.05 V為充電范圍；實(shí)測(cè)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(jí)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放大至土2.5 V。再進(jìn)行電壓補(bǔ)償，使采樣電壓范圍變?yōu)?~5 V，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的范圍不會(huì)溢出。一級(jí)放大電路如圖5(a)所示。
一級(jí)放大電路的輸入輸出關(guān)系為：
二級(jí)放大電路由低通濾波器和反相比例放大電路構(gòu)成。采樣信號(hào)在前期調(diào)理的過(guò)程中，由于信號(hào)微弱，且存在一定的尖峰干擾，設(shè)計(jì)中需要加RC低通濾波電路除去干擾信號(hào)。二級(jí)放大電路原理圖如圖5(b)所示。二級(jí)放大電路的輸入輸出關(guān)系為：
采樣電阻上的電壓差經(jīng)放大后，再經(jīng)電壓補(bǔ)償，得到0~5 V的電壓，以滿足A/D轉(zhuǎn)換的范圍。補(bǔ)償電路原理圖如圖6所示。
2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路
系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以8塊鋰電池為一組，分別進(jìn)行電壓、電流信號(hào)采集，因此每組共16路數(shù)據(jù)，進(jìn)而需要選取有16路模擬輸入接口的A/D轉(zhuǎn)換器。由前面章節(jié)內(nèi)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(hào)按上述方案已進(jìn)行了前期的調(diào)整處理，使得采集到的電流信號(hào)、電壓信號(hào)均轉(zhuǎn)換為0~5 V范圍的電壓信號(hào)�？刂破鱏TM32的I/O接口通過(guò)模擬SPI接口實(shí)現(xiàn)與AD5590半雙工通信。
A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)的核心器件，其性能直接影響采樣的精度。系統(tǒng)選用AD5590作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。AD5590是一款集成A/D、D/A轉(zhuǎn)換的芯片。本文AD5590的D/A轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)系統(tǒng)充放電控制模塊的電壓電流輸出，A/D轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)將充放電過(guò)程采樣到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量化處理。
2.3.3溫度信號(hào)測(cè)量電路
本文選用DS18 820數(shù)字溫度傳感器作為測(cè)溫元件，且采用與處理器直接相連接的測(cè)溫方案。
處理器STM32F103VCT6的PB。引腳通過(guò)一支4.7 kΩ)上拉電阻器與DS18 820的溫度輸出端DQ相連，為DS18 820提供驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)STM32和DS18 820釋放數(shù)據(jù)線時(shí)，將數(shù)據(jù)傳輸線變?yōu)楦唠娖健Ｌ幚砥魍ㄟ^(guò)該導(dǎo)線對(duì)傳感器初始化并完成溫度采集。
DS18 820供電方式有寄生供電和電源直接供電兩種。本系統(tǒng)采取外部供電方式，能夠提高溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換效率。
STM32將存儲(chǔ)的溫度數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，當(dāng)溫度值超過(guò)預(yù)設(shè)的溫度上限，上位機(jī)將輸出聲光電警報(bào)。
3結(jié)束語(yǔ)
本文針對(duì)鋰電池性能檢測(cè)要求和現(xiàn)有的工作狀況，提出了一種模塊化設(shè)計(jì)思想的兩層分布式控制結(jié)構(gòu)。上位機(jī)為控制管理層，完成對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)工步參數(shù)的設(shè)置和數(shù)據(jù)采集等人機(jī)交互功能；下位機(jī)為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)平臺(tái)控制層，完成鋰電池檢測(cè)組的充放電控制和檢測(cè)。采用PID算法調(diào)節(jié)結(jié)合閉環(huán)反饋控制方式對(duì)鋰電池進(jìn)行充放電管理，使得系統(tǒng)具有較高等級(jí)的充放電精度，能夠準(zhǔn)確反映產(chǎn)品品質(zhì)，進(jìn)而便于進(jìn)行嚴(yán)格的評(píng)定與篩選。
同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)置多個(gè)保護(hù)電路和措施，具有過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫保護(hù)等功能，當(dāng)充放電的實(shí)時(shí)指標(biāo)超過(guò)預(yù)設(shè)參數(shù)，將立即觸發(fā)保護(hù)和報(bào)警程序，即終止整個(gè)系統(tǒng)的工作。測(cè)試運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)便于集中控制和管理，同時(shí)具有較好的充放電精度和可靠性。
