CN104569846B - 一种单体电池测试系统 - Google Patents

Abstract

一种单体电池测试系统，它包括硬件和软件两部分；硬件部分：包括计算机、数据采集设备、电子负载仪、直流稳压电源和恒温箱，彼此之间相互连接；软件部分：包括上位机采集控制软件和Nios II控制软件；上位机控制软件进行参数的设置，系统的开始与关闭设置，并查看数据；Nios II控制软件下载到核心板，控制除上位机外的整个电路的运行，确保系统的正常运转。本发明在手动方式下，可实现人工干预，功能丰富。在自动方式下，在设置时序负载文件后，可自动对电池进行充电或者放电测试，无需人工操作。

Description

一种单体电池测试系统

技术领域

本发明涉及一种单体电池测试系统，此系统可以测试多种电池，在手动方式下，可实现对电池充电或者放电设置、电池充放电电流设置、串口参数设置、继电器组设置、充电上限电压设置、放电截止电压设置。在自动方式下，在设置时序负载文件后，可自动对电池进行充电或者放电测试，无需人工干预，此系统属于获得锂离子电池特性数据技术领域。

背景技术

通常电池测试仪监测电压等参数，在电池容量不足时精度会下降。常用的电池测试仪操作人员能设定的参数很少，比较简陋，而工业上使用的电池测试仪成本高，体积大，不易携带，并且工业中使用PTC陶瓷电阻，温度漂移较大，适合测试规模比较大的电池。在这种情况下，限于成本和便携性，需要体积适中，适应性好的电池测试系统。

本设计使用康铜电阻，温漂小，体积重量适中，方便携带，测试出的电池曲线比较准确，并且有自动与手动两种模式，可靠性比较高，可以适应不同的需求。基于FPGA技术，功能丰富。

发明内容

单体电池测试系统主要是为获得锂离子电池特性数据而设计的。测试方式有两种，分别是手动和自动。在手动方式下，可实现对电池充电或者放电设置、电池充放电电流设置、串口参数设置、继电器组设置、充电上限电压设置、放电截止电压设置，但是电池充放电开始后，需要手动停止电池充放电。在自动方式下，在设置时序负载文件后，可自动对电池进行充电或者放电测试，无需人工干预。无论在那种工作方式，电池充放电开始后，测试系统会自动记录时标、电流、电压和温度数据并在图形显示界面显示电压电流图形。充放电完成后，可以把记录的数据保存成EXCEL文件格式。

本发明一种单体电池测试系统，它包括硬件和软件两部分。

硬件部分：包括计算机、数据采集设备、电子负载仪、直流稳压电源和恒温箱，彼此之间相互连接，对锂离子电池进行测试。该计算机负责控制显示设备，实现图形显示、数据存储和功能控制；该数据采集设备包括两个子模块，分别是主卡和子卡，主卡对整个系统实施控制，包括与上位机的通信，主卡主要包含低功耗、低电压和小电流元件，子卡实现具体功能，实现对子卡上的具体模块的控制，子卡包括大功率，大电流的元件，包括温度采集模块，电子负载仪，直流稳压电源和恒温箱的具体控制；该电子负载仪有比较完善的保护功能，在对锂离子电池进行充放电设定电压与电流，电子负载仪可以实现对锂离子电池恒流充电，其主体是恒流源电路，可以在上位机上设定电流电压参数，通过主卡与子卡控制电子负载仪，对锂离子电池进行测试；该直流稳压电源有三个分别负责给主卡供电的直流稳压电源1，为继电器供电的直流稳压电源2和为锂离子电池供电的直流稳压电源3，这些直流稳压电源比较稳定，保证系统的顺利运行；该恒温箱避免外界温度影响，在测试给定的锂离子电池时，避免了温度波动影响测试结果。

软件部分：包括上位机采集控制软件和Nios II控制软件；上位机控制软件可以进行参数的设置，系统的开始与关闭等设置并可以查看数据；Nios II控制软件下载到核心板，控制除上位机外的整个电路的运行，确保系统的正常运转。

图2是主卡和子卡实物图。

图3是主卡和子卡结构框图。附图4，5，6，7，8是子卡的分割细化，是实际运用的几个模块的电路图，最后使用串口进行通信。

根据图2中电路引入的端口符号，它们之间的位置连接关系是：

在系统工作时：J1的功能是继电器供电电源接插件，J2功能是核心设备供电电源接插件，J3功能是主卡和子卡信号接插件，J4是主卡和子卡信号接插件，J5是串口1DB9接插件，J6是串口2DB9接插件，J7是电子负载仪接入接插件，J8是温度传感器接入接插件，J9是被测电池接入接插件，J10是电池充电电源接入接插件。主卡与子卡的连接关系如下：主卡的J3插座对应于子卡的J3插针。主卡的J4插座对应于子卡的J4插针。子卡J3插针对应主卡的J3插座。子卡J4插针对应主卡的J4插座。子卡J2接插件，低电压核心元件供电电源。子卡J2接插件，继电器供电电源子卡J10接插件，电池充电供电电源子卡J9接插件，电池子卡J7接插件，电子负载。

图4,图5,图6,图7,图8电路工作说明如下。

温度采集模块：见图4。本测量系统的温度采集模块采用热电阻式温度传感器，利用金属材料的电阻随温度的变化而变化的特性来实现温度测量。本模块采用pt100铂电阻金属测温电阻器和信号调理电路把温度信号转换成电压信号，把温度变化范围(-50℃，50℃)转换成电压变化范围(0v，+2.5v)，查PT100分度表不同温度阻值。考虑到数据采集传感器和锂离子电池之间有一定距离，pt100温度电阻器采用三线制接入信号调理模块电流采集模块电路。

电流采集模块见图5，采用茶花公司利用霍尔效应生产的具有闭环补偿作用的电流型霍尔传感器CSM015NPT。为了提高传感器的线性度、精度，减少温度漂移，优化响应时间，提高频率效应带宽，传感器利用反馈方法。CSM015NPT的原边线圈电阻是0.18mΩ，若在信号通路中流过10A电流时，其造成的压降是1.8mv，相对于电池电压可以忽略。当CSM015NPT原边线圈通过同相电流15A时，其副边线圈输出电压3.125v；原边线圈流过反向15A电流时，其副边线圈输出电压1.875v；原边线圈无电流流过时，其副边线圈输出电压2.5v。为了与模数转换器的动态范围更接近，故在其后加入信号调理电路，使电压幅度衰减一半。在这种情况下，当被采集电流范围[-15A，15A]时，经信号调理电路输出电压为[0.9375，1.5625v]。

继电器通路模块电路：见图6。继电器K1到K7选择汇科电器公司高容量型单刀双掷直流5V继电器HK14FH与欧姆龙继电器G2R-1-E相兼容。继电器通路由继电器驱动器FZT705和继电器HK14FH构成。控制线圈额定电压直流5V，额定电流106mA，线圈电阻47Ω。触点，在直流30V情况下，额定电流16A，接触电阻100mΩ。继电器驱动器：FZT705，是一个PNP型高电压、高电流达林顿三极管，输入可接低电压逻辑电路，输出可接功率负载(最大2A)。

电池充放电电流控制电路：见图7。对电池充电与放电时电流的控制，可采用两种方法，其一由电子负载仪直接控制，其二由数据采集板上的电子负载控制。下面对方法二进行详细说明，板载电子负载模块由隔离、DA、运放、MOSFET管和康铜丝电阻构成。功率MOSFET管：IRF540N，开启电压2.0～4.0V，在态电阻44mΩ，最大功率50W。通过数模转换器，数字量输入范围[0，4096]转变成[0v,2.048v]电压，经过电压电流变换电路转变成[0A，20A]电流，因此经过上面的电路，负载电流可控制。

电池电压隔离模块电路：见图8。为了提高系统稳定性，故对模拟量电池电压进行模拟量隔离，隔离后送入AD转换模块。差分运放把电池带有共模电压的差分电压转成单端对地电压后，送入线性光耦隔离电路，经过隔离后直接融入ADC采集通道。

模数转换模块：模数转换器：AD7938-6，625KSPS，8通道采样，并行接口的模数转换器。

图9是上位机采集控制软件界面。上位机采集控制软件是在MATLAB的GUI环境下设计的，主要包括文件操作、控件的使用、对话框的使用、定时器的使用和串口编程等。

优点与功效：在手动方式下，可实现人工干预，功能丰富。在自动方式下，在设置时序负载文件后，可自动对电池进行充电或者放电测试，无需人工操作。手动与自动方式下，测试系统会自动记录时标、电流、电压和温度数据并在图形显示界面显示电压电流图形并保存。

附图说明：

图1总体结构框图

图2主卡与子卡实物图

图3是主卡和子卡结构框图

图4是温度采集模块电路图

图5是电流采集模块电路图

图6是继电器通路模块电路图

图7电路充放电电流控制电路图

图8电池电压隔离模块电路图

图9上位机采集控制软件界面

图中符号说明如下：

J1:继电器供电电源插件。J2:主卡供电电源接插件。J3：主卡和子卡信号接插件。J4:主卡子卡信号连接插件。J5：串口1DB9连接插件。J6：串口2DB9接插件。J7：电子负载仪接入插件。J8：温度传感器接入插件。J9：被测电池接入插件。J10：电池充电电源接入插件。

串口设置：设置串口详细参数。继电器开断：七个继电器手动控制。AD：设置采样周期。电流A：设置负载电流。充放电电压设置。电池测试方式：电池充电测试和电池放电测试设置。选择负载文件：选择设定好的负载文件，自动进行测试。保存数据：点击进行数据保存。实时在窗口上显示当前结果。

具体实施方式：

见图1-9，本发明一种单体电池测试系统，结构框图如图1所示，它包含测试系统硬件和测试系统软件，硬件部分包括：计算机、数据采集设备、电子负载仪、直流稳压电源和恒温箱，彼此之间相互连接，对锂离子电池进行测试。该计算机负责控制显示设备，实现图形显示、数据存储和功能控制；该数据采集设备包括两个子模块，分别是主卡和子卡，主卡主要包含低功耗、低电压和小电流元件，实现对子卡上的具体模块的控制，子卡包括大功率，大电流的元件，包括温度采集模块。电子负载仪有完善的保护功能，在对锂离子电池进行充放电设定电压与电流，避免过冲，保护被测试的锂离子电池。直流稳压电源负责给主卡，子卡和受测试的的锂离子电池供电，保证系统的顺利运行。恒温箱避免外界温度影响，在测试给定的锂离子电池时，避免了温度波动影响测试结果。

软件部分包括：上位机采集控制软件和Nios II控制软件，上位机控制软件可以进行参数的设置，系统的开始与关闭等设置，并可以查看数据。Nios II控制软件下载到核心板，控制除上位机外的整个电路的运行，确保系统的正常运转。

根据附图2中电路引出端口符号，它们之间的位置连接关系是：J1的功能是继电器供电电源接插件，J2功能是核心设备供电电源接插件，J3功能是主卡和子卡信号接插件，J4是主卡和子卡信号接插件，J5是串口1DB9接插件，J6是串口2DB9接插件，J7是电子负载仪接入接插件，J8是温度传感器接入接插件，J9是被测电池接入接插件，J10是电池充电电源接入接插件。主卡与子卡的连接关系如下：主卡的J3插座对应于子卡的J3插针。主卡的J4插座对应于子卡的J4插针。子卡J3插针对应主卡的J3插座。子卡J4插针对应主卡的J4插座。子卡J2接插件，低电压核心元件供电电源。子卡J2接插件，继电器供电电源子卡J10接插件，电池充电供电电源。子卡J9接插件，连接电池。子卡J7接插件，测试电子负载仪。

测试系统启动流程：

1.接入待测锂离子电池，将锂离子电池接入J9接插件。

2.将交叉串口线一端连接到数据采集设备串口2，另一端连接至电脑串口。若电脑用USB转串口，请更新成最新驱动，所使用的型号是U232-P9，可在项目根目录下文件夹Driver里查找，不同型号硬件不同驱动程序。另外，连接串口线时，两端设备必须断电，否则容易烧坏串口芯片。

3.数据采集设备共有3个供电电源，供电顺序依次为，首先接通为核心设备供电的直流稳压电源1(J2接插件供电电源)，其次接通为继电器供电的直流稳压电源2(J1接插件供电电源)，最后接通为电池充电的直流稳压电源3(J10接插件供电电源)。

4.启动matlab应用程序，然后进入GUI界面，启动GUI应用程序。

测试系统关闭流程：

1.GUI软件测试完成。有两种情况都会实现测试完成，第一自动情况下，软件自动测试完成或者人工按下“停止时序负载测试”按钮，第二手动情况下，需要人工设置继电器状态并按下停止采样按钮。

2.GUI软件，关闭串口。

3.断开直流稳压电源3和断开直流稳压电源2，必须等到GUI软件测试完成才能执行。

4.必须等待最小1分钟或者继电器供电电源指示灯熄灭后，才能断开直流稳压电源1。

5.断开串口连线。

6.断开锂离子电池。

要注意的是：将锂离子电池接入J9接插件，注意极性。将交叉串口线一端连接到数据采集设备串口2，另一端连接至电脑串口。数据采集设备共有3个供电电源，供电顺序依次为，首先接通核心设备供电直流稳压电源1(J2接插件供电电源)，其次接通继电器供电的直流稳压电源2(J1接插件供电电源)，最后接通电池充电直流稳压电源3(J10接插件供电电源)。在启动matlab应用程序后，然后进入GUI界面，启动GUI应用程序。在未开始测试前，串口默认波特率9600，数据位8，无校验，停止位1。GUI界面串口参数设置需与Nios II软核程序串口设置一致。可手动对电池进行测试需要人工设置继电器状态，ADC采样周期，板载电子负载电流，需要人工监视充放电结束条件。由于负载通路中含有继电器、电流传感器、PCB导线和板载电子负载等模块，所以流过整个通路的最大允许电流由最小的电流承载能力模块决定。其中，继电器最大承载电流为16A。电流传感器最大承载电流15A。PCB线宽2.54mm，依经验，可通过电流最大承载电流5A。电子负载，在放电情况下，设电池电压4.2，则电流＝50/4.2≈11.9A。所以，最终负载电流不能大于5A。图3是主卡和子卡结构框图。图4，5，6，7，8是子卡的分割细化，是实际运用的几个模块的电路图，最后使用串口进行通信。

Claims (1)

1.一种单体电池测试系统，其特征在于：它包含测试系统硬件和测试系统软件，硬件部分包括：计算机、数据采集设备、电子负载仪、直流稳压电源和恒温箱，彼此之间相互连接，对锂离子电池进行测试；该计算机负责控制显示设备，实现图形显示、数据存储和功能控制；该数据采集设备包括两个子模块，分别是主卡和子卡，主卡包含低功耗、低电压和小电流元件，实现对子卡上的具体模块的控制，子卡包括大功率，大电流的元件，包括温度采集模块；电子负载仪有完善的保护功能，对锂离子电池进行充放电并设定电压与电流参数，避免过充，保护被测试的锂离子电池；直流稳压电源负责给主卡，子卡和受测试的锂离子电池供电，保证系统的顺利运行；恒温箱避免外界温度影响，在测试给定的锂离子电池时，避免了温度波动影响测试结果；

软件部分包括：上位机采集控制软件和Nios II控制软件，上位机采集控制软件进行参数的设置，系统的开始与关闭设置，并可以查看数据；Nios II控制软件下载到核心板，控制除上位机外的整个电路的运行，确保系统的正常运转；

电路引出端口符号的位置连接关系是：J1是继电器供电电源接插件，J2是核心设备供电电源接插件，J3是主卡和子卡信号接插件1，J4是主卡和子卡信号接插件2，J5是串口1DB9接插件，J6是串口2DB9接插件，J7是电子负载仪接入接插件，J8是温度传感器接入接插件，J9是被测电池接入接插件，J10是电池充电电源接入接插件；主卡与子卡的连接关系如下：主卡的J3插座对应于子卡的J3插针；主卡的J4插座对应于子卡的J4插针；子卡J2接插件，为低电压核心元件供电电源；子卡J1接插件，为继电器提供供电电源；子卡J10接插件，接入电池充电电源；子卡J9接插件，连接被测电池；子卡J7接插件，连接测试用的电子负载仪；

测试系统启动流程：

①.接入待测锂离子电池，将锂离子电池接入J9接插件；

②.将交叉串口线一端连接到数据采集设备串口，另一端连接至电脑串口；若电脑用USB转串口，所使用的型号是U232-P9，不同型号硬件选用不同的驱动程序；另外，连接串口线时，两端设备必须断电，否则容易烧坏串口芯片；

③.数据采集设备共有3个供电电源，供电顺序依次为，首先接通为核心设备供电的直流稳压电源1，其次接通为继电器供电的直流稳压电源2，最后接通为电池充电的直流稳压电源3；

④.启动matlab应用程序，然后进入GUI界面，启动GUI应用程序；

测试系统关闭流程：

a.GUI软件测试完成；有两种情况都会实现测试完成，第一自动情况下，软件自动测试完成或者人工按下“停止时序负载测试”按钮，第二手动情况下，需要人工设置继电器状态并按下停止采样按钮；

b.GUI软件测试完成，关闭串口；

c.断开直流稳压电源3和断开直流稳压电源2，必须等到GUI软件测试完成才能执行；

d.必须等待最少1分钟或者继电器供电电源指示灯熄灭后，才能断开直流稳压电源1；

e.断开串口连线；

f.断开锂离子电池；

将锂离子电池接入J9接插件，注意极性；将交叉串口线一端连接到数据采集设备串口2，另一端连接至电脑串口；数据采集设备共有3个供电电源，供电顺序依次为，首先接通核心设备供电直流稳压电源1，其次接通继电器供电的直流稳压电源2，最后接通电池充电直流稳压电源3；在启动matlab应用程序后，然后进入GUI界面，启动GUI应用程序；在未开始测试前，串口默认波特率9600，数据位8，无校验，停止位1；GUI界面串口参数设置需与Nios II软核程序串口设置一致；手动对电池进行测试需要人工设置继电器状态，ADC采样周期，板载电子负载电流，需要人工监视充放电结束条件；由于负载通路中含有继电器、电流传感器、PCB导线和板载电子负载模块，所以流过整个通路的最大允许电流由最小的电流承载能力模块决定；其中，继电器最大承载电流为16A；电流传感器最大承载电流15A；PCB线宽2.54mm，通过电流最大承载电流5A；电子负载，在放电情况下，设电池电压4.2，则电流＝50/4.2≈11.9A；所以，最终负载电流不能大于5A。