CN101769995A - 智能化电池循环充放电测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种智能化电池循环充放电测试装置，该装置价格低廉、精度高、稳定性好的二次电池自动充放电测试装置，该装置可对二次电池的主要参数进行测定，性能安全可靠，具有广泛的应用前景。该装置包括电源模块、电子负载、采集控制模块、PC机、充放电模块五部分；其中电源模块的输出连接电子负载和充放电模块，待测电池经充放电模块与电子负载连接，采集控制模块的信号采集端连接待测电池，控制端连接充放电模块，采集控制模块并通过USB数据线与PC机联机。
Description
一、技术领域：
本发明涉及一种经济、简便、稳定、精确的应用于电池循环充放电测试的装置，可对铅酸蓄电池、锂电池、镍氢电池等二次电池进行恒电流、恒电压、恒电阻、恒功率等多种模式的自动循环充放电测试。通过对系统硬件的扩展，可以方便的实现多路(最多到4路)测量，进行多个电池同时进行循环充放电测试。
二、背景技术：
二次电池(可充电电池)自发明以来已经得到广泛应用，其种类也是多种多样，按其化学类型主要可以分为铅酸(Lead-Acid)、镍镉(NiCd)、镍氢(NiMH)和锂离子(Li+)电池这几大类。二次电池相比于一次电池具有不可比拟的优势，因此越来越多地被应用在能源储备、计算机、电子通讯、动力设备等领域。随着二次电池开发研究的深入和应用领域的不断拓广，二次电池性能参数的测试显得十分重要。在各种二次电池性能参数当中循环寿命、放电容量、充放电效率、放电倍率性能等充放电特征参数都可以通过循环充放电测试获得，是评价电池性能重要指标。
在二次电池的测试中，最常见的就是循环充放电测试，充放电特性可以反映电池在实际应用中的性能差异，充放电模式主要可以分为：恒流、恒压、恒阻和恒功率充放电。电池在不同模式下进行充放电测试对电池的容量也有较大的影响，同时也可以反映出电池的不同特性。目前市场上有很多种电池测试系统，如Arbin公司的16通道电池测试系统、Hioki公司生产的手持式测量仪、Keithley Instruments公司的可编程电池仿真器等都能完成电池性能的测试，但其价格都非常昂贵，使用和维护费用也很高，限制了它们在实验室研究电池方面的应用。国内一些电池测试仪器主要用于检测电池的当前状态，存在功能单一、测试精度不高、稳定性不好等缺点。如中国专利CN200520060665.8所公开的一种数字式蓄电池检测仪，包括蓄电池、电源等，还包含微处理电路、脉冲电路、采样放大电路、A/D转换电路、显示和键盘。通过微处理电路控制脉冲电路发送脉冲信号，发送至蓄电池，采样放大电路对交流信号放大处理，读取蓄电池上交流电压值，输出至微处理电路，最后显示数据并自动判断蓄电池当前状况，同时也能测试汽车蓄电池启动能力。专用的电池循环充放电测试仪器的缺乏，迫使国内大量研究人员使用电化学工作站对电池进行充放电试验，造成了专业仪器设备的低效率使用。寻求价格适中而又准确的电池循环充放电测试仪器无疑是目前研究的目标。鉴于所存在的这些问题，本发明研制了一种新型的电池自动充放电测试装置，可以很好地完成对二次电池主要性能参数的测试工作。
三、发明内容：
为了解决上述问题，本发明提供一种价格低廉、精度高、稳定性好的的二次电池自动充放电测试装置，该装置可对二次电池的主要参数进行测定，性能安全可靠，具有广泛的应用前景。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
智能化电池循环充放电测试装置，其特征在于：该装置包括电源模块、电子负载、采集控制模块、PC机、充放电模块五部分，
其中电源模块的输出连接电子负载(IT8511直流电子负载)和充放电模块，待测电池经充放电模块与电子负载连接；采集控制模块的信号采集端接待测电池，控制端连接充放电模块，采集控制模块并通过USB数据线与PC联机连接，由PC机对采集控制模块实现控制，并采集记录相应采样数据。
采集控制模块主要包括(USB2.0-Ver1.0)A/D转换电压采集板、二极管和三极管，充放电模块主要由电磁继电器矩阵组成，电压采集板电压采集端CH1与GND端分别与待测电池正、负极相连，采集电池端电压V，I/O控制输出端DO1串联二极管D1和电阻R1后再接三极管T1的b极，三极管T1的e极接地，c极连接电磁继电器矩阵中各电磁继电器线圈的负端，各电磁继电器线圈的正端连接电源模块的输出端，电压采集板与PC机之间通过USB数据线进行通讯，实时反馈电池端电压V；
充放电模块通过继电器的切换达到改变电路工作状态的目的。继电器为DS2Y-S-DC5V型电磁继电器，继电器矩阵通过对采集控制模块的信号响应来实现充电和放电子电路的切换。通过电磁线圈中电流的改变来切换电路。当线圈中无电流通过时，常闭端闭合，常开端断开，当有一定大小电流(100mA)通过时常闭端断开，常开端闭合。继电器组的线圈端相互并联，并且正端和电源模块输出端连接，负端与三极管T1的c极相连。通过继电器矩阵将电子负载、电源模块和待测电池相连接，达到对待测电池充电和放电的目的。
电磁继电器矩阵包括两个电磁继电器，两个电磁继电器并联，构成一个继电器矩阵。如需要多组测量则需要增加电磁继电器的组数，并按照并行的方式进行连接即可。
采集控制模块的电压采集板有四路采集输入端CH1～CH4，采集控制模块的电压采集板有设有四路采集输入端，如CH1～CH4，可分别采集四组待测电池信号，继电器矩阵对应设有四组继电器(每两只为一组)，待测电池分别经一组继电器与各自的电子负载连。
并且测试时待测电池和电子负载始终串联，因此可以实现对多路电池同时进行测量，只需将多个待测电池分别接采集板的多个采集端，通过增加继电器矩阵来分别对各个测量子电路进行切换，PC机用USB数据线采集不同待测电池的端电压即可实现。
电源模块包括变压器、整流桥、滤波电容和三端稳压管组成，稳压管脚1为输入，脚2为输出(+5V)，脚3接地，脚2分别连接电磁继电器矩阵中各电磁继电器线圈的正端和电子负载的正端。一方面为二次电池充电时提供充电电源，另外一方面作为继电器线圈的驱动电源。电源模块通过IT8511直流电子负载与待测电池连接。电子负载用于改变电路的工作模式(恒流、恒阻、恒功率)，如在恒流充放电模式下时，保证在对电池进行充电/放电过程中电路中电流恒定。该型号直流电子负载额定输入电压为0～120V，额定输入电流0～30A，额定输入功率为0～150W，还可以选用该系列其他型号的电子负载以满足不同要求。
PC机通过USB数据线读取采集板采集的电池端电压V，并与Labview程序预先设定的电压阈值进行比较，以控制采集板I/O端输出电位达到充电和放电的切换。
电路在工作时，先调节电子负载设定电路工作模式，在Labview程序中设定参数，采集控制模块通过采集二次电池端电压，并与Labview程序预先设定的电压阈值比较，再通过I/O端给出控制信号来控制继电器，达到充电和放电电路的切换功能，在电池充放电的过程中，PC机将自动记录电池端电压并作图(V-t曲线)，得到电池充放电特性曲线。另外，在Labview程序对话框内还可以设定电压采样精度，以满足不同的测试需要。
本发明相比现有技术具有如下优点：
本发明的智能化电池循环充放电测试装置可以测电池充放电过程中的电池端电压，并通过电子负载读取或随时调控充放电电流I，进而得出待测电池的充放电特性曲线、库仑效率、OCV(开路电压)、电池内阻、循环寿命等重要参数，实现测试数据的自动记录、作图，实现了全自动功能，减少人工干预，降低了运行成本，安全可靠并通过USB电压采集板与PC联机，使用Labview程序，通过电压采集板输出信号来控制继电器矩阵以改变切换放电电路和充电电路，智能化、稳定可靠且效率高。电源模块和其他模块集成在一起，方便组装的同时也节省了空间。该测试装置具有在实验室应用的前景，可广泛用在对二次电池测试研究领域。
本装置也可用于超级电容器的测试，通过并行设计可以实现多通道测试，拓展空间大，功能多样化，免维护，减少人工干预，可节约大量时间，电压采样精度高，结果准确可靠，大大减少了测量误差。
四、附图说明：
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明的电源理图。
图3为采集控制模块的工作流程图。
图4为采集控制模块的原理框图。
图5为测得电池恒流充放电图形。
五、具体实施方式：
以下结合附图及实施例对本装置作进一步说明。
参照图1：
按照其功能和作用，该系统电路主要由电源模块、IT8511直流电子负载、采集控制模块、充放电模块、PC机五部分组成。其中电源模块作为待测电池的充电电源并为充放电模块提供驱动电源。电子负载则用以改变电池充放电模式，采集控制模块主要包括USB A/D转换电压采集板、二极管、三极管，通过USB电压采集板采集电池端电压，采集板I/O控制输出端输出控制信号来控制充放电模块，并使用USB数据线与PC机通讯，实现自动记录数据、作图等功能，充放电模块主要由继电器矩阵构成。充放电模块与待测电池相连接，通过继电器响应信号来切换充电电路和放电电路。
参照图2：
图中a为电源模块，通过变压器U1将220v交流电变为9v交流电，经过整流桥U2整流、电容滤波、三端稳压管稳压后输出DC+5v，连接充放电模块里继电器线包和采集控制模块的三极管T1的c端，让其工作在放大区，通过三极管的导通截止状态来控制继电器线包，进而控制充放电模块，其中电容C1、C2、C3、C4为滤波电容，稳压管1脚输入，2脚输出+5V，3脚接地。电源模块通过IT8511直流电子负载与待测电池C0连接。在充放电过程中，电子负载有三种不同工作模式，可保持外电路电流恒定(电阻恒定或功率恒定)，可以通过设置电子负载的不同工作模式来实现电池的恒流、恒阻、恒功率充放实验，以满足实验室对电池不同状态下的性能指标的测试，在充放电过程中需要保证电路中电流方向从电子负载正端流进，负端流出。
b为采集控制模块，主要由电压采集板(型号SB2.0-Ver1.0)组成。采集板输出端与三极管T1的b极之间串联一只电阻R1，另加一只二极管D1防止电流倒灌，破坏电压采集设备。采集板输入端通过采集电池/电容器两端电压后输出高低电平响应信号，使用Labview编程，控制USB电压采集板，并设置阈值电压Vmin和Vmax，并比较采集的电池端电压与阈值电压，从而在三极管b极给出高低电平控制信号，通过三极管将基极电流放大来控制继电器线圈的响应。当电池两端电压Vc小于所设置的电压下限Vmin时，采集板输出低电平信号，三极管处于截止状态，继电器不响应，电源对电池进行充电，相反，当电池两端电压Vc大于所设置的电压上限Vmax时，采集板输出高电平信号时，三极管导通，继电器响应吸合，电池开始放电，如此循环工作。在电池充放电的过程中，电压采集板采集电池端电压并自动记录数据、作图，达到自动采集、响应、记录的自动充放电功能。
c为充放电模块，主要由继电器矩阵组成。继电器(DS2Y-S-DC5V型)起了充电/放电电路自动切换开关的作用，默认状态为常闭状态，即采集板输出端给出低电平信号时，电池处于充电状态，当采集板输出端给出高电平信号时，继电器吸合，响应电流约为100mA，常闭端断开，常开端闭合，切换至放电电路，电池处于放电状态。继电器矩阵一般设置四组并联的继电器，对应四个电子负载，分别控制四个待测电池的充放电，并由采集控制模块的四个I/O控制输出端输分别控制。
两个电磁继电器为一组，两个电磁继电器正端与正端、负端与负端相并联，构成一个继电器矩阵，并由该矩阵控制一组待测电池进行充放电测试，要实现多路测量时则需要有多路继电器矩阵，每个矩阵对应于一组待测电池，电池端电压则由采集控制模块不同的采集端CH1～CH4采集，经不同的I/O控制输出端DO1～DO4分别加以控制。具体连接方式如下：
电源+5V输出接继电器矩阵(1～4)正端，电压采集板电压采集端CH1～CH4分别接待测电池1～4的正极，电压采集板控制输出端DO1～DO4分别串联二极管D1～D4，电阻R1～R4后分别接三极管T1～T4的b极，各三极管的c极分别接电磁继电器线圈负端。各待测电池负极和采集板GND端连接，对于每一组待测电池而言，均有一电子负载来保证电路的工作模式，如在恒流充放电模式下保证电路中电流恒定。图2中只有一组继电器矩阵，可用来测试一组待测电池。(对于多组情况：四个继电器矩阵、四个三极管T1～T4，四个控制输出端DO1～DO4，四个二极管D1～D4，四个电子负载的图中未画出。)
参照图3：
PC机上控制电压采集板的Labview程序工作流程如下：
在手动设置好电子负载的工作模式后，开始1，再选择两种工作模式，即先充后放2和先放后充2’。对先充后放而言，先对电池充电3，采集电池端电压V与预先设定的电池充电电压上限Vmax进行比较4，若电池端电压高于Vmax则切换电路，电池放电5，反之则电池继续充电3，电池在放电过程则比较V与Vmin大小6，若V低于Vmin则切换电路，电池进入充电3，反之则继续放电5，直至结束测试7；而对先放后充来说，电池先处于放电状态3’，比较V与Vmin 4’，若V小于Vmin则进行充电5’，反之则继续放电3’，电池在充电过程中则比较V与Vmax大小6’，如果V大于Vmax则电池放电3’，如果V小于Vmax则继续充电5’，直到结束测试7’。
参照图4：
数据采集板各个模块工作原理如下：
上位机：采集卡的指令发出者，所有指令均由上位机发送，然后采集卡接收后按指令动作，并将动作的结果上传回PC机(即为图1中的PC，以下同)，利用PC机强大的运算功能进行数据处理；
USB接口：现代通信系统中非常普遍而且通用的即插即用的一种总线形式；几乎所有计算机及便携设备中均具备的接口，使用方便，接口小巧，在通信的同时提供了设备使用的电源；
USB控制器：主要负责数据的传输管理；
CPU中央处理器核心：负责管理所有外设，数据的处理分析；以及将数据在各外设间进行传输协调；
A/D模数转换器模块：上位机通过USB总线发送过来的指令数据，经由USB控制器传送到CPU中央处理器后，中央处理器进行数据解析，判断上位机的指令的意义以及动作的参数，并将参数值转发给A/D转换器，A/D转换器按指令里面指定的通道进行数据采集(以参考源为参考)，并将采集最初的二进制的码传输给CPU，CPU进行数据解码以后，重新打包发送给USB控制器，指控制其将数据回传给PC机，PC机接收到信息再作相应分析；
D/A数模转换器模块：PC机通过USB总线发送过来的指令数据，经由USB控制器传送到CPU中央处理器后，中央处理器进行数据解析，判断PC机的指令的意义以及动作的参数，并将参数值转换成芯片识别的二进制码，转发给D/A转换器，D/A转换器再按指令的二进制码，参照参考源输出电压；
DI数字输入模块：PC机通过USB总线发送过来的指令数据，经由USB控制器传送到CPU中央处理器后，中央处理器进行数据解析，判断PC机的指令的意义以及动作的参数，然后CPU并行一次性获取8输入DI上面的值，重新打包发送给USB控制器，指控制其将数据回传给PC机，PC机接收到信息再作相应分析；
DO数字输出模块：PC机通过USB总线发送过来的指令数据，经由USB控制器传送到CPU中央处理器后，中央处理器进行数据解析，判断PC机的指令的意义以及动作的参数，然后CPU并行一次性将8输出DI值更新出去；
PWM脉宽调制模块：PC机通过USB总线发送过来的指令数据，经由USB控制器传送到CPU中央处理器后，中央处理器进行数据解析，判断PC机的指令的意义以及动作的参数，CPU将PWM的参数值(包括频率，占空比，单边沿还是双边沿等值更新到PWM的寄存器里面)，PWM脉冲得以更新输出；
WDT看门狗模块：此模块由CPU独立操作，无须上位机干预，用以保障系统的安全运行；当出现异常情况时，此模块能将系统重新复位到正常状态。
参照图5：
该图为Labview主程序界面，对样品电池进行恒流充放电测试图形，横轴为充放电时间，纵轴为电池电压。在程序中可以设置电压上下限、电压采样周期、循环次数、曲线样式等等参数，并且可以将记录的数据导入Origin等软件进行进一步处理。通过该恒流充放电图形可以得到电池相关性能参数，如图所示：Vocv为电池开路电压，Vmax为设置的充电电压上限，Vmin为设定的放电电压下限，V1为放电起始电压，t1为充电开始时间，t2为充电终止时间，t3为放电终止时间，有了这些参数就可以得到电池的内阻r＝(Vmax-V1)/I，其中I(电流大小可以预先根据用户要求通过电子负载进行设定，在测试过程中也可进行更改，其数值可以在IT8511电子负载的显示屏中直接读出，再通过将该电流大小代入计算公式，参与程序运算，即可得到待测电池的相关参数)为放电电流大小；电池的充电电量Qc和放电电量Qd；电池的库仑效率
以及电池循环寿命等等一些表征电池性能的重要参数。实验过程中可以随时保存结果，如有突发情况还可以强制结束程序，使用简单方便，准确度较高，安全可靠，非常适合实验室测试使用。
本发明也可以采用PC机通过COM端口与每个电子负载的COM口连接，通过PC机自动设置各电子负载的参数，直接参与程序运算。
本发明的实施效果：
该系统也可以用于测试超级电容器，通过调节高精度电子负载的不同工作模式，可以得到电池在不同运行状态下的性能，结果准确。通过程序控制，本装置可与电脑相互联机，自动完成数据采集、记录、作图等功能(参考附图5)，电路简单方便，功能多样化，减少人工干预，免维护，可节约大量时间，与市场上销售的大型电池测试系统相比，该系统组成元器件常见易得，价格低廉，节约大量成本，并且安全可靠，非常适合于实验室用来对二次电池进行测试研究。
Claims (5)
1.智能化电池循环充放电测试装置，其特征在于：该装置包括电源模块、电子负载、采集控制模块、PC机、充放电模块五部分；其中电源模块的输出连接电子负载和充放电模块，待测电池经充放电模块与电子负载连接，采集控制模块的信号采集端连接待测电池，控制端连接充放电模块，采集控制模块并通过USB数据线与PC机联机。
2.根据权利要求1所述的智能化电池循环充放电测试装置，其特征在于：
所述采集控制模块主要包括电压采集板、二极管和三极管，充放电模块主要由继电器矩阵组成；其中电压采集板的电压采集端CH1与GND端分别与待测电池正、负极相连，I/O控制输出端DO1串联二极管D1和电阻R1后再接三极管T1的b极，三极管T1的e极接地，c极连接电磁继电器矩阵的负端，继电器线圈的正端连接电源模块的输出端，电压采集板与PC机之间通过USB数据线进行通讯；所述电源模块包括变压器、整流桥、滤波电容和三端稳压管组成，稳压管脚1为输入，脚2为输出，脚3接地，脚2分别连接继电器矩阵的正端和电子负载的正端。
3.根据权利要求2所述的智能化电池循环充放电测试装置，其特征在于：所述电磁继电器矩阵包括两个电磁继电器，两个电磁继电器并联，构成一组继电器矩阵。
4.根据权利要求2所述的智能化电池循环充放电测试装置，其特征在于：所述采集控制模块的电压采集板有四路采集输入端CH1～CH4，分别控制四组继电器矩阵和电子负载，各组继电器矩阵按照并行方式连接。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的智能化电池循环充放电测试装置，其特征在于：所述PC机的COM端口与电子负载的COM口连接，通过PC机自动设置电子负载的参数，直接参与程序运算。
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