CN203535195U - 基于pxi总线技术的电池测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PXI总线技术的电池测试系统；包括：PXI总线模块、电源模块、继电器矩阵模块、恒流源模块、高压模块、信号采集模块、信号调理电路、功率放大电路和输入输出设备；本实用新型的有益效果：可以实现对大规模量的电池性能进行测试，利用新兴的工业控制检测系统PXI总线技术建立核心的检测平台，实现了对激活回路阻值、绝缘电阻和干态电压的测试，该电池测试系统运行稳定可靠，满足电池的检测要求，具有通用化、模块化、可扩展性强等特点，能同时对多种型号电池进行测试，提高测试精度和效率，实现测试装备自动化。

Description

基于PXI总线技术的电池测试系统

技术领域

本实用新型涉及一种电池测试系统，尤其涉及一种基于PXI总线技术的电池测试系统。

背景技术

现有电池测试系统对安全性和可靠性要求如下：

1.电池测试系统测试过程中要保证被测电池不被激活，不能使被测电池短路。

2.电池自身要防止打火花，以免对被测产品以及操作人员造成伤害。

3.电池测试仪检测前要进行自检，在检测过程中监测被测产品和自身重要状态信息，一旦发生异常可以在最短时间内切断故障电路电源并报警。

目前现行的电池测试系统具有如下缺点：

1.现行电池测试系统不具备“一键测试”自动功能，不能完成自行判断、自行预读和输出功能；而且，现行的电池测试仪尚不具备通用性，不能满足不同型号产品的测试要求。

2.现行的电池测试系统没有采用模块化设计，不能依据其功能逻辑进行模块划分，使模块间的机械和电气接口简单化，并实现模块化分装，以方便测试和维护。

实用新型内容

为了解决以上问题，本实用新型提供了一种具有通用化、模块化、可扩展性强等特点的基于PXI总线技术的电池测试系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于PXI总线技术的电池测试系统，包括：PXI总线模块、电源模块、继电器矩阵模块、恒流源模块、高压模块、信号采集模块、信号调理电路、功率放大电路和输入输出设备。

所述PXI总线模块经所述功率放大电路控制所述继电器矩阵模块；所述高压模块和所述恒流源模块产生激励信号，所述的激励信号经所述继电器矩阵模块施加到被测电池上；所述信号采集模块采集被测电池信号，所述信号调理电路对所述的被测电池信号进行处理后送至所述PXI总线模块；所述电源模块提供所述各个模块和电路所需的电源；所述输入输出设备与所述PXI总线模块连接。

所述PXI总线模块包括CPU板、A\D数据采集板和数字I\O板；所述CPU板作为电池测试系统的控制单元；所述A\D数据采集板将被测电池各模拟信号进行A/D转换；所述数字I/O板接收CPU板指令对继电器矩阵模块进行控制，将各测试项目的多路信号切换至数据采集板各自的A/D通道口。

所述继电器矩阵模块包含若干继电器，所述继电器型号为：SIL05-1A85 76D3K。

所述恒流源模块的型号为LB8723A，所述恒流源模块也可以采用自行设计的恒流源电路。

所述自行设计的恒流源电路包括：运算放大器U1、稳压二极管D1、继电器K1-K2、三极管Q1-Q2、电阻R1-R6、电阻Rs、电阻Rx和熔断器X1。

所述三极管Q1的基极与电阻R1串联后与所述运算放大器U1的6号管脚连接，所述三极管Q1的发射极与所述三极管Q2的基极连接，所述三极管Q1的集电极与所述三极管Q2的集电极连接，所述三极管Q2的发射极与电阻R3-R4、电容C1串联后与所述运算放大器U1的3号管脚连接，所述运算放大器U1的2号管脚与所述三极管Q2的发射极连接，所述运算放大器U1的4号管脚接-15V电源、7号管脚接+15V电源、其他管脚悬空；所述熔断器X1的一端与所述三极管Q1的集电极连接、另一端与电阻Rx、Rs串联后接地，所述继电器K2与所述电阻Rx并联；所述稳压二极管D1与所述电容C1并联，所述稳压二极管D1的一端与所述继电器K1串联后接+15V电源、另一端与电阻R2和电阻R6串联后接地。

所述恒流源模块中，流过电阻Rx的电流为：

选取放大系数足够大的三极管，则

于是，所述恒流源模块的输出电流为：

其中Vz为流过电阻R3、R4两端的电压，β₁和β₂分别为三极管Q1和三极管Q2的放大系数。

所述信号调理电路包括：信号滤波电路、信号放大电路和信号隔离电路。

所述信号滤波电路包括由电阻R1和电容C1串联组成的第一级低通滤波RC电路，由电阻R2、电阻R3、电容C4和电阻R4、电容C2、电容C3组成的第二级双T帯阻滤波电路。

所述信号放大电路包括：运算放大器U1-U4，电阻R6-R11，电阻R13，电阻R16-R18；所述运算放大器U1的2号管脚经电阻R6与所述运算放大器U2的2号管脚连接，所述运算放大器U1的6号管脚经电阻R9与所述运算放大器U3的2号管脚连接，所述运算放大器U2的6号管脚经电阻R10与所述运算放大器U3的3号管脚连接，所述运算放大器U3的3号管脚经电阻R11后接地，电阻R8串接在所述运算放大器U1的2号管脚和6号管脚之间，电阻R7串接在所述运算放大器U2的2号管脚和6号管脚之间，电阻R13串接在所述运算放大器U3的2号管脚和6号管脚之间，所述运算放大器U3的6号管脚经电阻R16与所述运算放大器U4的2号管脚连接，所述运算放大器U4的3号管脚经电阻R17后接地，电阻R18串接在所述运算放大器U4的2号管脚和6号管脚之间，所述运算放大器U1-U4的7号管脚接15V电源、4号引脚接-15V电源、其它管脚悬空。

所述信号隔离电路包括：隔离运算放大器AD210、电阻R19-R20、电阻RP1；所述电阻R19和电阻R20的串联支路一端与所述隔离运算放大器AD210的18号管脚连接、另一端与所述电阻RP1连接，所述电阻RP1串接在所述隔离运算放大器AD210的14号管脚和15号管脚之间。

所述信号滤波电路中第一级低通滤波RC电路的传递函数为：

所述第二级双T帯阻滤波电路中：

R₂＝R₃＝2R₄＝R， $C_2=C_3=\frac{1}{2}{C}_4=C$

所述第二级双T帯阻滤波电路的传递函数为：

所述整个信号滤波器电路的传递函数为：

$F\left(s\right)=\frac{1}{1+R_1{C}_1}\×\frac{R^3{C}^3\×S^3+R^2{C}^2\×S^2+\mathrm{RC}\×s+1}{R^3{C}^3\×S^3+5R^2\×S^2{C}^2+5\mathrm{RC}\×s+1}.$

由于滤波的主要功能是消除50Hz的工频干扰，因此截止频率ω_n为：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\mathrm{RC}}=50\mathrm{Hz}\×2\mathrm{\π}=314.15\mathrm{rad}/s.$

所述信号放大电路的放大倍数A为：

所述输入输出设备包括但不限于：显示器、键盘和CPU主板的外设接口。

本实用新型的有益效果：

本实用新型的电池测试系统可以实现对大规模量的电池性能进行测试，利用新兴的工业控制检测系统PXI总线技术建立核心的检测平台，实现了对激活回路阻值、绝缘电阻和干态电压的测试，该电池测试系统运行稳定可靠，满足电池的检测要求，具有通用化、模块化、可扩展性强等特点，能同时对多种型号电池进行测试，提高测试精度和效率，实现测试装备自动化。

附图说明

图1为本实用新型的电池测试系统结构示意图；

图2为本实用新型的电源模块原理图；

图3为本实用新型的继电器驱动电路的电路图；

图4(a)为本实用新型的自行设计的恒流源电路的电路图；

图4(b)为本实用新型的现有的恒流源模块工作原理图；

图5为本实用新型的信号滤波电路的电路图；

图6为本实用新型的信号放大电路的电路图；

图7为本实用新型的信号隔离电路的电路图；

图8为本实用新型的电池绝缘电阻值测试原理；

图9为本实用新型的电池激活回路阻值测试原理；

图10为本实用新型的电池干态电压测试原理。

其中，1.CPU板，2.PXI总线，3.功率放大电路，4.被测电池，5.数字I/O板，6.继电器矩阵模块，7.高压模块，8.电源模块，9.恒流源模块，10.数字采集板，11信号调理电路，12.信号采集模块，13.LCD显示器，14.USB接口，15.RS232/422接口，16.键盘。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，一种基于PXI总线技术的电池测试系统，包括：PXI总线模块、电源模块8、继电器矩阵模块6、恒流源模块9、高压模块7、信号采集模块12、信号调理电路11、功率放大电路3和输入输出设备。

CPU板控制挂接在PXI总线上的数字I/O板5输出的数字信号经功率放大电路3放大后控制继电器矩阵模块6上的继电器，绝缘测试电压和恒流源生成激励信号，随之激励信号经由继电器矩阵模块6施加到被测电池4上。被测电池4上的各种物理量在激励信号作用下以电压信号的形式被采集，然后再返回至信号调理电路11，同时继电器矩阵模块6对各路被测信号进行切换，以满足多路信号的测试要求。信号调理电路11对电压信号进行限幅、滤波、放大后送入数据采集板，数据采集板10对电压信号进行A/D转换，将转换后的数字信号传送至总线供CPU板1读取。CPU板1对读取的数据进行整理分析和还原，最后将还原后的电池物理量，诸如激活回路阻值、绝缘电阻值、干态电压等，显示在应用程序的人机界面上供用户读取。

如图2所示，电源模块8采用220V50Hz交流供电。机箱内部形成一个AC/DC稳压直流电源，将交流电转换为24V输出直流电源，将此直流电源进一步转化为各个模块所需要的直流电源。

各电源模块功能说明如下：

（1）PXI总线2模块使用24V直流电源。

（2）高压模块7将24V直流电压放大至500V直流电压作为绝缘电阻的测试电压。

（3）继电器功率放大电路3使用5V直流电源将数字I/O板5的数字信号放大，以驱动继电器。

（4）±15V直流电源用于向恒流源电路9和信号调理电路11供电，信号调理电路11起到将被测信号滤波放大等作用，期中集成运算放大器需要此±15V直流电压。

PXI总线模块为电池测试仪的主控单元。PXI总线模块包括CPU板1、数字采集板10和数字I/O板5。基于PXI总线的构架具有速度快，数据吞吐量大、功耗低、安装连接方便可靠的特点，在CPU模块中安装WindowsXP系统。

CPU板1选用NI公司的PXI-8101，其主要参数如下：

处理器：Inter Celeron5752.0GHz；内存：1GB DRR2；硬盘：80G；I/O:1个RS232，2个USB；操作温度：0～50℃；存储温度：-40～65℃；支持一路RS232、1路RS422/485、2路USB接口；预装WindowsXP系统、NI-VISA和NI-488.2驱动程序并且内置I/O端口的驱动程序。

数据采集板10作用是将被测电池各模拟信号进行A/D转换，数据采集板10选用NI公司的PXI-6220，主要参数如下：

16路A/D通道单端或8路A/D通道差分模拟输入；16bitA/D转换器，最高采样频率为700KHz；最大可编程电压输入范围±10V；采集温度-20～55℃。采集卡为16位分辨率，被测电压信号为0～5V，则数据采集卡电压分辨率为5/2¹⁶=0.076mV，实验结果表明，此分辨率满足各个项目测试精度。

数字I/O板5接收CPU板1指令对继电器矩阵模块6进行控制，将各测试项目的多路信号切换至数据采集板10各自的A/D通道口。数字I/O板5选用NI公司的PXI-6513数字I/O板5主要参数如下：

光耦隔离型64路漏极输出；最大工作电压±24V；输出电流单通道500mA，多通道125mA；工作温度0～55℃，存储温度-20～70℃。

如图3所示，继电器矩阵模块6的驱动电路中的继电器选用德国MEDER公司小型PCB继电SIL05-1A85 76D3K。根据PXI-6513输出电路原理，其采用了光耦隔离输出和达林顿管驱动，当每个端口的单个通道工作时最大可输出500mA，当每个端口8个通道同时工作时每个通道最大输出为125mA，因此PXI-6513可直接驱动继电器。

继电器线圈接在PXI-6513的COM端和输出端之间，PXI-6513初始上电或者复位时默认输出逻辑高电平，内部光电耦合器不工作，公共端COM和输出端PX.Y-处于断开状态。在程序控制下，当数字逻辑输出低电平时隔离光电耦合器工作，在达林顿管驱动下公共端COM和输出端PX.Y-接通，从而外部继电器得电工作。

根据设计要求和总体方案，测试激活回路阻值时需要提供精密恒流源。目前可采用自行设计的以集成运算放大器和分立器件搭建的恒流源电路9，也可采用应用现有的恒流源模块LB8723A。

如图4（a）所示，自行设计的恒流源电路9包括：运算放大器U1、稳压二极管D1、继电器K1-K2、三极管Q1-Q2、电阻R1-R6、电阻Rs、电阻Rx和熔断器X1；三极管Q1的基极与电阻R1串联后与运算放大器U1的6号管脚连接，三极管Q1的发射极与三极管Q2的基极连接，三极管Q1的集电极与三极管Q2的集电极连接，三极管Q2的发射极与电阻R3-R4、电容C1串联后与运算放大器U1的3号管脚连接，运算放大器U1的2号管脚与三极管Q2的发射极连接，运算放大器U1的4号管脚接-15V电源、7号管脚接+15V电源、其他管脚悬空；熔断器X1的一端与所述三极管Q1的集电极连接、另一端与电阻Rx、Rs串联后接地，继电器K2与所述电阻Rx并联；稳压二极管D1与所述电容C1并联，稳压二极管D1的一端与所述继电器K1串联后接+15V电源、另一端与电阻R2和电阻R6串联后接地。

运算放大器U10工作在放大区时，其输入端近似短路，则负输入端电压等于正输入端电压。由于稳压二极管工作在击穿区，稳压值为2.4V，则V_-＝V₊＝15-V_z，故电阻R3、R4两端电压为15-(15-V_z)＝V_z。因此，流过被测电阻Rx的电流为：

其中β₁、β₂为两个三极管放大系数，Vz为流过电阻R3、R4两端的电压，选取放大系数较大的三极管，则

于是，所述恒流源模块的输出电流为：

理想情况下，恒流源的等效内阻为无穷大，输出电流不随负载的变化而变化，然而实际运放的参数并非理想，如开环增益和输入阻抗有限的情形。

在图4（a）中，将恒流源电源接在继电器K1的常闭触点上，主要的是当恒流源电路发生故障时，流过负载电阻（即电池激活回路电阻）上的电流增大时通过控制电路及时断开恒流源电源。实现过程如下：在测试过程中控制程序通过数据采集板实时对Rs两端电压进行采集并且计算出电流值，当电流值过大时控制程序通过控制电路断开继电器K1的常闭触点，恒流源电路失电，达到电路过流保护效果。

继电器K2用于恒流源电路自检。在检测前，负载电阻Rx未接入电路，测试仪可通过控制电路使继电器K2开触点闭合，将恒流源电路导通，通过测试Rs上的电压并且计算出电流值以判断出当前电路是否工作正常。

现有的恒流源模块LB8723A工作原理如图4（b）所示，具体参数如下：工作电压：15±0.3V；工作温度：-45～85℃。

恒流源模块输出电流由电压基准元和采样电阻的大小来决定，公式如下：

其中，V₀为基准电压，R_d为采样电阻值。

两种恒流源设计方法都可满足激活回路电阻测试功能要求。

信号调理电路11包括：信号滤波电路、信号放大电路和信号隔离电路。

如图5所示，述信号滤波电路包括由电阻R1和电容C1串联组成的第一级低通滤波RC电路，由电阻R2、电阻R3、电容C4和电阻R4、电容C2、电容C3组成的第二级双T帯阻滤波电路；信号滤波电路的作用是消除电路中的主要干扰，即50Hz工频干扰，对于模拟滤波器的设计，通常采用电阻、电容和运放搭接而成。本滤波电路采用两级滤波，一级为RC低通滤波，二级为双T型带阻滤波。

信号滤波电路中第一级低通滤波RC电路的传递函数为：

第二级双T帯阻滤波电路中：

R₂＝R₃＝2R₄＝R； $C_2=C_3=\frac{1}{2}{C}_4=C;$

第二级双T帯阻滤波电路的传递函数为：

所述整个信号滤波器电路的传递函数为：

$F\left(s\right)=\frac{1}{1+R_1{C}_1}\×\frac{R^3{C}^3\×S^3+R^2{C}^2\×S^2+\mathrm{RC}\×s+1}{R^3{C}^3\×S^3+5R^2\×S^2{C}^2+5\mathrm{RC}\×s+1},$

由于滤波的主要功能是消除50Hz的工频干扰，因此截止频率ω_n为：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{1}{\mathrm{RC}}=50\mathrm{Hz}\×2\mathrm{\π}=314.15\mathrm{rad}/s.$

选取合适元器件使得其截止频率与要求的314.15rad/s接近，满足滤波要求。

如图6所示，信号放大电路包括：运算放大器U1-U4，电阻R6-R11，电阻R13，电阻R16-R18；运算放大器U1的2号管脚经电阻R6与运算放大器U2的2号管脚连接，运算放大器U1的6号管脚经电阻R9与运算放大器U3的2号管脚连接，运算放大器U2的6号管脚经电阻R10与运算放大器U3的3号管脚连接，运算放大器U3的3号管脚经电阻R11后接地，电阻R8串接在运算放大器U1的2号管脚和6号管脚之间，电阻R7串接在运算放大器U2的2号管脚和6号管脚之间，电阻R13串接在运算放大器U3的2号管脚和6号管脚之间，运算放大器U3的6号管脚经电阻R16与运算放大器U4的2号管脚连接，运算放大器U4的3号管脚经电阻R17后接地，电阻R18串接在运算放大器U4的2号管脚和6号管脚之间，运算放大器U1-U4的7号管脚接15V电源、4号引脚接-15V电源、其它管脚悬空。

信号放大电路中，运算放大器U1-U3组成差分放大电路。差分放大电路由运算放大器U1、运算放大器U2组成第一级差分式电路，运算放大器U3组成第二级差分式电路，电阻R6、电阻R7、电阻R8组成反馈网络，由于引入了深度电压串联负反馈，因此具有较高的输入阻抗。运算放大器U1和运算放大器U2都选用同相端作为电压输入端，则其共模输出电压和温漂电压也都相等。在经过运算放大器U3的差分式运算可将共模电压和温漂电压抵消，因此放大电路具有很强的共模抑制能力和较小的输出温漂电压。运算放大器U4是电压反向跟随器，其作用是使前后级隔离。基于上图电路参数，整个放大电路的放大倍数A可如下计算得到：

$A=1+\frac{R_6+R_8}{R_7}.$

如图7所示，为了将被测信号与计算机系统进行隔离，使计算机系统更加安全，并且滤除一定的干扰信号，同时降低放大电路的输出电阻，需要在数据采集板A/D通道前端增加隔离电路。选用隔离放大器AD210（工作温度范围:0℃到+70℃）对电路进行隔离。

信号隔离电路包括：隔离运算放大器AD210、电阻R19-R20、电阻RP1；电阻R19和电阻R20的串联支路一端与隔离运算放大器AD210的18号管脚连接、另一端与电阻RP1连接，电阻RP1串接在隔离运算放大器AD210的14号管脚和15号管脚之间。

使用隔离运算放大器AD210以及外部电阻组成了一个高精度的1：1信号隔离电路。其中RP1电位计、R19和R20电阻组成放大器零位调整电路，如果没有这个调整电路则会有6mV左右的零位误差。100KΩ电位计采用多圈高精度电位计，50KΩ和200Ω电阻采用容差为0.1%的低温漂电阻。

输入输出设备主要包括LCD显示器13，键盘16，以及CPU主板1的外设接口，如USB接口14、RS232/422接口15等。键盘16选用紧凑型触摸键盘，要求防水、防尘、抗恶劣使用环境、高使用寿命。测试仪内部的USB接口数据线可以反接，保护输出数据的保密性。

图8所示为电池中绝缘电阻值测试原理，图中，共设计12路绝缘测试通道，每个被测点分别接继电器矩阵A上的一个继电器和继电器矩阵B上的一个继电器，通过控制继电器的开闭可实现任意两点间绝缘测试。例如需要测量1点对3点的绝缘电阻值，继电器矩阵在数字I/O板的控制下闭合继电器K1和继电器K15，然后通过数据采集板对采样电阻Rs上的电压值的测量可计算出1点对3点的绝缘电阻值。图中R1为限流电阻，当被测电阻发生短路时R1可对电路起到保护作用。

由图中R1和Rs为低阻值标准电阻，可由原理图求得如下的关系：

$R_x=\frac{U-V_{\mathrm{IN}}}{V_{\mathrm{IN}}}{R}_s-R_1$

式中，R_x为待测绝缘电阻，U为500V测试电压，V_IN为测得的采样电阻R_s两端的采样电压。利用信号调理电路对此电压进行滤波隔离后进入数据采集板进行测试，从而可计算出绝缘电阻值R_x。

图9所示为电池中激活回路阻值测试原理，激活回路电阻值测量属于微电阻测量，若采用传统的两线法测量，则会将线缆电阻干扰和继电器接触电阻干扰带入测试结果中，会从而对测试结果的精度造成严重影响。采用四线法测量则可避免线缆导线电阻和继电器接触电阻的影响。

图10所示为电池中干态电压测试原理，干态电压测试的技术指标：

干态电压测试范围：0～20V；干态电压测试精度：0.01V；干态电压合格要求：只测试数据，对数据不做判读。

鉴于干态电压性质的特殊性，为防止干态电压从测试回路释放，干态电压测试端必须具有大的输入阻抗，否则会导致测试失败。在前期产品所用的电池的单元测试中，测试干态电压采用了数字万用表，参考数字万用表直流电压原理测量，采用合适大小的分压电阻对干态电压分压至数据采集板可接收范围后进行测试。该系统选用合适大小的分压电阻将被测电压作分压处理，使用分压电阻将被测干态电压（0～20V）分压后（0～2V）送入放大器放大，放大后的电压信号被送入数据采集板进行A/D转换可计算出干态电压。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于PXI总线技术的电池测试系统，其特征是，包括：PXI总线模块、电源模块、继电器矩阵模块、恒流源模块、高压模块、信号采集模块、信号调理电路、功率放大电路和输入输出设备； 

所述PXI总线模块经所述功率放大电路控制所述继电器矩阵模块；所述高压模块和所述恒流源模块产生激励信号，所述的激励信号经所述继电器矩阵模块施加到被测电池上；所述信号采集模块采集被测电池信号，所述信号调理电路对所述的被测电池信号进行处理后送至所述PXI总线模块；所述电源模块提供所述各个模块和电路所需的电源；所述输入输出设备与所述PXI总线模块连接。 

2.如权利要求1所述的一种基于PXI总线技术的电池测试系统，其特征是，所述PXI总线模块包括CPU板、A\D数据采集板和数字I\O板；所述CPU板作为电池测试系统的控制单元；所述A\D数据采集板将被测电池各模拟信号进行A/D转换；所述数字I/O板接收CPU板指令对继电器矩阵模块进行控制，将各测试项目的多路信号切换至数据采集板各自的A/D通道口。 

3.如权利要求1所述的一种基于PXI总线技术的电池测试系统，其特征是，所述继电器矩阵模块包含若干继电器，所述继电器型号为：SIL05-1A8576D3K。 

4.如权利要求1所述的一种基于PXI总线技术的电池测试系统，其特征是，所述恒流源模块的型号为LB8723A，所述恒流源模块也可以采用自行设计的恒流源电路。 

5.如权利要求1所述的一种基于PXI总线技术的电池测试系统，其特征是，所述信号调理电路包括：信号滤波电路、信号放大电路和信号隔离电路。 

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