CN108490368A - 一种锂电池充放电测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锂电池充放电测试装置及方法，主要由DSP主控芯片、锂电池充放电控制电路和锂电池信息采集电路组成；锂电池充放电控制电路包括功率晶体管Q1‑Q2、电感L、继电器开关和驱动电路模块；锂电池信息采集电路包括电流检测模块和电压检测模块。本发明通过编程产生研究所需的充放电电流和对应的充放电时间的自定义工况对锂电池进行充放电实验测试，可完成对锂电池主要性能参数测定与其等效电路模型充放电参数识别，同时又可以进行锂电池SOC估计算法验证与开发。

Description

一种锂电池充放电测试装置及方法

技术领域

本发明涉及电池管理技术领域，具体涉及一种锂电池充放电测试装置及方法。

背景技术

随着新能源技术的发展，锂电池应用与研究越来越广泛与深入，锂电池性能参数测试显得十分重要。通过循环充放电测试，锂电池性能主要参数比如充放电容量、循环寿命和充放电效率等特征参数都能获得。目前市场上有很多国内外专业电池测试系统，都能完成锂电池性能的测试，但其价格极其昂贵，使用和维护费用很高，限制了在实验室研究电池方面的应用。国内一些价格相对便宜电池测试仪又存在功能单一的问题，无法满足研究需要。所以寻求价格低廉、功能多样、准确稳定的锂电池循环充放电测试装置已成为目前研究的目标。

此外，锂电池在循环充放电测试时，需要大量的时间和能量，但很多电池测试系统和电池测试仪只是作为锂电池状态监测和信息采集的功能，主要目的是测试、采集、保存锂电池充放电的电压、电流、电容量、循环寿命等主要性能参数信息。若需要对锂电池SOC进行估计，则需要通过软件工具将保存的数据进行离线的锂电池SOC估计算法仿真研究才能实现。无法实现锂电池SOC估计算法的在线实时验证功能，造成了锂电池充放电测试有效性验证不方便，测试开发效率不高，研究时间投入大等问题。

发明内容

本发明针对现有高端电池测试装置存在成本高，低端电池测试装置存在功能单一，以及高端和低端电池测试装置无法实现锂电池SOC估计算法的在线实时验证功能问题，提供一种锂电池充放电测试装置及方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种锂电池充放电测试装置，主要由DSP主控芯片、锂电池充放电控制电路和锂电池信息采集电路组成；锂电池充放电控制电路包括功率晶体管Q1-Q2、电感L、继电器开关和驱动电路模块；锂电池信息采集电路包括电流检测模块和电压检测模块；DSP主控芯片的3个输出端连接驱动电路模块的3个输入端，驱动电路模块的3个输出端分别连接继电器开关的控制端、功率晶体管Q1的栅极与功率晶体管Q2的栅极；功率晶体管Q1的漏极连接继电器开关的公共触点；功率晶体管Q1的源极和功率晶体管Q2的漏极同时与相接电感L的一端相接，电感L的另一端经由电流检测模块连接待测锂电池的正极；电压检测模块并接在待测锂电池的正负极上；功率晶体管Q2的源极和待测锂电池的负极接地；继电器开关的充电触点连接外部直流稳压电源，继电器开关的放电触点连接外部可调电子负载。

上述方案中，锂电池充放电控制电路还进一步包括电阻R1-R2、放电指示LED和充电指示LED；电阻R2和充电指示LED串联后，一端与继电器开关的其中充电触点连接，另一端接地；电阻R1和放电指示LED串联后，一端与继电器开关的放电触点连接，另一端接地。

上述方案中，DSP主控芯片经由通讯模块与计算机连接。

上述方案中，DSP主控芯片包括型号为TMS320F28335的DSP主控芯片。

上述装置所实现的一种锂电池充放电测试方法，包括步骤如下：

步骤1、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断锂电池的电压是否达到锂电池下限电压：如果是，则转入步骤2，否则，转入步骤7；

步骤2、DSP主控芯片控制继电器开关接通充电触点，此时继电器开关接通可调直流稳压电源与锂电池回路，充电指示LED亮起，准备充电测试；

步骤3、可调直流稳压电源调至恒压模式，并根据预先设定好的充电电流工况对锂电池进行充电，同时DSP主控芯片电路将电压检测模块采集锂电池的电压和电流检测模块采集锂电池的电流，完成锂电池在充电状态的SOC估算与参数测定；

步骤4、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断锂电池的电压是否达到锂电池上限电压：如果是，则转入步骤5，否则，返回步骤3；

步骤5、锂电池充放电控制电路对锂电池进行恒压模式充电即涓流充电；

步骤6、利用电流检测模块采集锂电池的电流，DSP主控芯片判断锂电池的电流是否达到电池下限电流：如果是，则转入步骤7，否则，返回步骤5；

步骤7、DSP主控芯片判断是否需要进行放电测试：如果是，则转入步骤8；否则，结束；

步骤8、DSP主控芯片控制继电器开关接通放电触点，此时继电器开关接通可调直流电子负载与锂电池回路，放电指示LED亮起，准备放电测试；

步骤9、可调电子负载调至恒电阻模式，并根据预先设定好的放电电流工况对锂电池进行放电，同时DSP主控芯片电路将电压检测模块采集锂电池的电压和电流检测模块采集锂电池的电流，完成锂电池在放电状态的SOC估算与参数测定；

步骤10、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断锂电池的电压是否达到锂电池下限电压：如果是，则转入步骤11，否则，返回步骤9；

步骤11、DSP主控芯片判断是否需要继续进行充电测试：如果是，则转入步骤1；否则，结束。

作为改进，所述步骤3和9中，还进一步包括如下过程：DSP主控芯片将锂电池的电压、电流和SOC通过通讯模块发送到计算机上保存。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(1)相比高端的电池充放电测试系统，价格经济便宜，维护成本时间代价也低，体积小、携带方便、不占场地，一般实验场地均能方便使用。

(2)相比一般的电池充放电测试仪，功能多样，除了厂家固定的功能外，还能根据研究需要进行功能编程二次开发，满足研究工作的需要。

(3)在实现循环充放电测试同时还可以进行锂电池SOC估计算法在线实时验证开发，不仅可以提高研究效率满足研究需要，也提高了每次充放电的电能利用效率。

(4)外接装置器件(如开关电源、可调稳压电源、可调电子负载、通讯模块和计算机等)均是标准通用器件或仪器设备，可自行购买更换组装，成本可根据自身情况合理控制，如有某个外接设备损坏时也可自行购买或替换不需找专业人士自己就可以进行维护方便省时。

附图说明

图1为锂电池充放电测试装置的系统框图。

图2为锂电池充放电测试装置及外接设备电路图。

图3为一种锂电池充放电测试方法的流程图。

图4为脉冲功率特性曲线—电流图。

图5为脉冲功率特性曲线—电压图。

具体实施方式

针对现有电池测试装置所存在的问题，本发明研制了一种可编程自动化锂电池充放电测试装置，不仅可以方便的编程自定义充放电电流工况很好的完成锂电池主要性能参数的测试工作以及锂电池等效电路模型充放电参数识别工作，同时还能通过将算法进行编程实现使采集到的实时数据不仅可以保存下来进行后续分析也可以直接用来进行锂电池SOC估计算法的实时在线验证与开发，满足了各种研究需要也节约了研究成本与时间。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

一种基于型号为TMS320F28335的DSP主控芯片控制的可编程自动化的锂电池充放电测试装置，通过连接电池与电源(或电子负载)以进行充放电测试，并与计算机作为的上位机连接不仅可以方便的编程写入装置中的DSP主控芯片，自定义充放电电流工况完成锂电池主要性能参数的测试工作，同时通过将算法进行编程实现写入芯片使采集到的数据直接调用进行锂电池SOC估计算法的实时在线验证与开发，实时数据可通过串口通信的方式保存到计算机进行后续分析，满足了各种研究需要也节约了研究成本与时间。

参见图1和图2，一种锂电池充放电测试装置，主要由DSP主控制芯片电路、锂电池充放电控制电路、锂电池信息采集电路组成。其中DSP主控芯片主要包括基于型号为TMS320F28335的DSP主控芯片以及电源、时钟、复位、JTAG仿真调试接口、外部储存器等外围电路组成的开发板模块。锂电池充放电控制电路包括Q1、Q2两个功率晶体管、一个电感L，一个继电器开关，一个放电指示LED和一个充电指示LED，R1、R2两个电阻，一个驱动电路模块。锂电池信息采集电路包括电流检测模块与电压检测模块。

可外接锂电池、可调直流稳压电源、可调电子负载、装置器件供电开关电源进行充放电工作。外部装置器件供电开关电源连接DSP主控芯片、驱动电路模块、继电器开关、电流检测模块和电压检测模块。DSP主控芯片的3个输出端连接驱动电路模块的3个输入端，驱动电路模块的3个输出端分别连接继电器开关的控制端、功率晶体管Q1的栅极与功率晶体管Q2的栅极。功率晶体管Q1的漏极连接继电器开关的公共触点。功率晶体管Q1的源极和功率晶体管Q2的漏极同时与相接电感L的一端相接，电感L的另一端经由电流检测模块连接待测锂电池的正极。电压检测模块并接在待测锂电池的正负极上。功率晶体管Q2的源极和待测锂电池的负极接地。继电器开关的充电触点c连接外部直流稳压电源，继电器开关的放电触点d连接外部可调电子负载。电阻R2和充电指示LED串联后，其中一端与继电器开关的充电触点c连接，另一端接地。电阻R1和放电指示LED串联后，一端与继电器开关的放电触点d连接，另一端接地。

DSP主控芯片经由通讯模块连接计算机。通过通讯模块与计算机进行交互实现对DSP主控芯片的编程写入产生自定义充放电电流工况与锂电池SOC算法在线验证开发，通过串口通信方式可将采集信息与算法验证结果保存到计算机上。

充电电流工况控制原理：当选择充电测试时，继电器开关将闭合c触点，充电指示LED被点亮，表示锂电池准备充电，可调直流稳压电源、锂电池和充放电装置已形成回路。可调直流稳压电源调至恒电压模式，DSP产生PWM波通过驱动电路模块输入a端使得Q1功率晶体管导通，而b端输入低电平使Q2功率晶体管截止，此时电流会从直流稳压电源到经过电感、电流传感器到锂电池方向运动，装置开始为锂电池充电。此时电流检测模块将充电电流信号作为反馈输入到DSP主控芯片中，通过PI算法调节PWM波的占空以此控制Q1功率晶体管导通与截止频率从而实现控制充电电流和最终达到目标充电电流的目的。

放电电流工况控制原理：当选择放电测试时，继电器开关将闭合d触点，放电指示LED被点亮，表示锂电池准备放电，可调电子负载、锂电池和充放电装置形成回路。可调电子负载调至恒电阻模式，DSP产生PWM波通过驱动电路模块输入b端使得Q2功率晶体管导通，而a端输入低电平使Q1功率晶体管截止，此时电流会从锂电池经过电流检测模块、电感到可调电子负载方向运动，装置开始为锂电池放电。此时电流检测模块将放电电流信号作为反馈输入到DSP主控芯片中，通过PI算法调节PWM波的占空以此控制Q2功率晶体管导通频与截止率从而实现控制放电电流和最终达到目标放电电流的目的。

参见图3，上述装置所实现的一种锂电池充放电测试方法，包括步骤如下：

步骤1、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断电压是否达到锂电池下限电压：如果是，则转入步骤2，否则，转入步骤7；

步骤2、DSP主控芯片控制继电器开关接通充电触点，此时继电器开关接通可调直流稳压电源与锂电池回路，充电指示LED亮起，准备充电测试；

步骤3、可调直流稳压电源调至恒压模式，并对DSP主控芯片编程设定好充电电流工况，锂电池充放电控制电路根据DSP程序开始对锂电池进行充电，同时根据DSP主控芯片编程预先设计的锂电池SOC估计算法程序，将电压检测模块采集锂电池的电压和电流检测模块采集锂电池的电流作为算法模型的输入变量，完成锂电池在充电工况下的锂电池SOC估计算法验证与锂电池主要性能参数测定，并将电压、电流和SOC通过通讯模块发送到计算机上保存；

步骤4、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断电压是否达到锂电池上限电压：如果是，则转入步骤5，否则，返回步骤3；

步骤5、锂电池充放电控制电路根据DSP主控芯片编程设定的程序，开始对锂电池进行恒压模式充电(涓流充电)；

步骤6、利用电流检测模块采集锂电池的电流，DSP主控芯片判断锂电池电流是否达到电池下限电流：如果是，则转入步骤7，否则，返回步骤5；

步骤7、DSP主控芯片判断是否需要进行放电测试：如果是，则转入步骤8；否则，结束；

步骤8、DSP主控芯片控制继电器开关接通放电触点，此时继电器开关接通可调直流电子负载与锂电池回路，放电指示亮起，准备放电测试；

步骤9、可调电子负载调至恒电阻式，并对DSP主控芯片编程设定好放电电流工况，锂电池充放电控制电路根据DSP程序开始对锂电池进行放电，同时根据DSP主控芯片编程预先设计的锂电池SOC估计算法程序，将电压检测模块采集锂电池的电压和电流检测模块采集锂电池的电流作为算法模型的输入变量，完成锂电池在放电工况下的锂电池SOC估计算法验证与锂电池主要性能参数测定，并将电压、电流和SOC通过通讯模块发送到计算机上保存；通讯模块

步骤10、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断电压是否达到锂电池下限电压：如果是，则转入步骤11，否则，返回步骤9；

步骤11、DSP主控芯片判断是否需要继续进行充电测试：如果是，则转入步骤1；否则，结束。

当待测锂电池电压达到自身规定的最低下限电压或者达到特殊研究需要限定的最低电压时(将此时锂电池SOC人为标定为零)，锂电池充电过程开始时，利用充电电流工况控制原理可操作计算机上的TI公司开发的DSP编译器软件CCS对通过通讯模块(仿真器)对DSP主控芯片编程自定义设定充电时的目标电流对锂电池进行恒电流工况模式充电。或者有特殊研究需要，可以毫秒、秒、分、时为时间单位设定不同时间段，每个时间段可设置一种目标电流实现自定义变电流工况对锂电池进行充电(定时定量充电)。当锂电池的电压达到待测锂电池所规定的最高上限电压或者达到特殊研究需要限定的最高电压时，为了使锂电池充满需对锂电池进行恒压模式充电(涓流充电)。类似充电电流工况控制原理电压检测模块将锂电池电压信号作为反馈输入到DSP主控芯片中，通过PI算法调节PWM波的占空比以此控制Q1功率晶体管导通与截止频率来控制为了保持目前锂电池最高上限电压所需的电流实现对锂电池的恒电压模式充电。待电流检测模块检测到电流大小减少到达到0安培时，a端将会输入低电平使Q1功率晶体管截止，此时表示锂电池已充满电，锂电池充电过程结束。

当锂电池充电过程结束时可以选择测试停止，也可以选择继续开始进行锂电池放电测试过程。利用放电电流工况控制原理可操作CCS软件对DSP进行编程自定义放电时的目标电流对锂电池进行恒电流放电工况模式放电，同样如有特殊研究需要，可以毫秒、秒、分、时为时间单位设定不同时间段，每个时间段可设置一种目标电流实现自定义变电流工况对锂电池进行放电(定时定量充放电)。当锂电池的电压达到待测锂电池所规定的最低下限电压或者达到特殊研究需要限定的最低电压时，b端输入低电平使Q2功率晶体管截止，此时表示锂电池放电过程结束。当锂电池放电测试过程结束时，可以选择停止测试，也可以再次继续进行充电测试。经历过一次充电测试过程与放电测试过程表示一次完整的循环充放电过程，循环充放电测试循环次数可以根据研究需要进行选定。

循环充放电测试过程中，充放电电流、锂电池电压、充放电时间等锂电池测试数据都会对应的通过DSP串口通信发送到计算机上，并通过NI公司开发的Labview软件设计好的程序以文本方式保存下来。通过对这些数据的分析，利用安时积分法可得出锂电池充电电容量、放电电容量以及充放电效率。通过多次充放电循环，还可以得到不同充放电次数下锂电池充放电电容量便从而获得电池寿命等重要信息。

循环充放电测试过程开始时，我们可将自己设计好的锂电池SOC估计算法C/C++代码通过CCS也写入到DSP中，与循环充放电控制程序同时运行。在循环充放电测试过程中，充放电电流、锂电池电压、充放电时间等锂电池测试数据信息会直接作为变量代入到自己设计好的锂电池SOC估计算法程序进行运算，运算结果也会同锂电池测试数据一样通过DSP串口通信的方式发送到计算机上，并以文本的形式保存下来。然后对比将充电电流和充电时间代入SOC定义公式计算得到的锂电池SOC理论真实值，从而可以在线实时验证自己开发的锂电池SOC估计算法的可行性、准确性，并进行相应的修改和完善，从而实现算法验证和开发的目的。

锂电池等效电路模型参数识别需要对锂电池进行混合动力脉冲能力特性HPPC实验。通过充电电流工况控制放电电流工况控制原理中的充放电电流控制与定时设置，设定出脉冲充放电电流值与放电时间。举例HPPC实验，如图4图5所示，可依次设40秒0安培电流(锂电池静置)，10秒充电流为正1倍率电流(电池脉冲充电)，40秒0安培电流(锂电池静置)，10秒充电流为负1倍率电流(电池脉冲放电)，40秒0安培电流(锂电池静置)。通过锂电池测试数据保存功能获得瞬时充放电电压急剧变化的数据与静置时电压缓慢变化的数据，可以通过压降计算出电池欧姆内阻，将数据放入设定的拟合函数中，依靠回归算法求出拟合函数系数，最后按照系数与识别参数之间的关系矩阵识别出锂电池等效电路模型的充放电参数。

如果依照安时积分锂电池SOC估计算法得出的SOC，在以相邻SOC间隔为0.001到1的精度下建立需要测试的SOC点个数，然后将需要测试的每一个SOC点进行一次锂电池静置，静置时间可以设定，静置时间以达到待测锂电池电压可以作为开路电压为准，将不同的SOC下的开路电压值保存到计算机上，这样便可以得到待测锂电池开路电压与锂电池SOC的关系特性曲线。

本发明可以通过编程产生研究所需的充放电电流和对应的充放电时间的自定义工况对锂电池进行充放电实验测试，可完成对锂电池主要性能参数测定与其等效电路模型充放电参数识别，同时又可以进行锂电池SOC(state of charge，荷电状态也称剩余电量)估计算法验证与开发。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种锂电池充放电测试装置，其特征是，主要由DSP主控芯片、锂电池充放电控制电路和锂电池信息采集电路组成；锂电池充放电控制电路包括功率晶体管Q1-Q2、电感L、继电器开关和驱动电路模块；锂电池信息采集电路包括电流检测模块和电压检测模块；

DSP主控芯片的3个输出端连接驱动电路模块的3个输入端，驱动电路模块的3个输出端分别连接继电器开关的控制端、功率晶体管Q1的栅极与功率晶体管Q2的栅极；功率晶体管Q1的漏极连接继电器开关的公共触点；功率晶体管Q1的源极和功率晶体管Q2的漏极同时与相接电感L的一端相接，电感L的另一端经由电流检测模块连接待测锂电池的正极；电压检测模块并接在待测锂电池的正负极上；功率晶体管Q2的源极和待测锂电池的负极接地；继电器开关的充电触点连接外部直流稳压电源，继电器开关的放电触点连接外部可调电子负载。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池充放电测试装置，其特征是，锂电池充放电控制电路还进一步包括电阻R1-R2、放电指示LED和充电指示LED；电阻R2和充电指示LED串联后，一端与继电器开关的其中充电触点连接，另一端接地；电阻R1和放电指示LED串联后，一端与继电器开关的放电触点连接，另一端接地。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池充放电测试装置，其特征是，DSP主控芯片经由通讯模块与计算机连接。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池充放电测试装置，其特征是，DSP主控芯片包括型号为TMS320F28335的DSP主控芯片。

5.权利要求1所述装置所实现的一种锂电池充放电测试方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断锂电池的电压是否达到锂电池下限电压：如果是，则转入步骤2，否则，转入步骤7；

步骤2、DSP主控芯片控制继电器开关接通充电触点，此时继电器开关接通可调直流稳压电源与锂电池回路，充电指示LED亮起，准备充电测试；

步骤3、可调直流稳压电源调至恒压模式，并根据预先设定好的充电电流工况对锂电池进行充电，同时DSP主控芯片电路将电压检测模块采集锂电池的电压和电流检测模块采集锂电池的电流，完成锂电池在充电状态的SOC估算与参数测定；

步骤4、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断锂电池的电压是否达到锂电池上限电压：如果是，则转入步骤5，否则，返回步骤3；

步骤5、锂电池充放电控制电路对锂电池进行恒压模式充电即涓流充电；

步骤6、利用电流检测模块采集锂电池的电流，DSP主控芯片判断锂电池的电流是否达到电池下限电流：如果是，则转入步骤7，否则，返回步骤5；

步骤7、DSP主控芯片判断是否需要进行放电测试：如果是，则转入步骤8；否则，结束；

步骤8、DSP主控芯片控制继电器开关接通放电触点，此时继电器开关接通可调直流电子负载与锂电池回路，放电指示LED亮起，准备放电测试；

步骤9、可调电子负载调至恒电阻模式，并根据预先设定好的放电电流工况对锂电池进行放电，同时DSP主控芯片电路将电压检测模块采集锂电池的电压和电流检测模块采集锂电池的电流，完成锂电池在放电状态的SOC估算与参数测定；

步骤10、利用电压检测模块采集锂电池的电压，DSP主控芯片判断锂电池的电压是否达到锂电池下限电压：如果是，则转入步骤11，否则，返回步骤9；

步骤11、DSP主控芯片判断是否需要继续进行充电测试：如果是，则转入步骤1；否则，结束。

6.根据权利要求5所述的一种锂电池充放电测试方法，其特征是，步骤3和9中，还进一步包括如下过程：DSP主控芯片将锂电池的电压、电流和SOC通过通讯模块发送到计算机上保存。