鋰電池性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李　濤　張　彬　劉艷

(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)

鋰電池性能檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)檢測過程遠(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工步。測試表明：系統(tǒng)運(yùn)行良好，便于集中控制和管理；現(xiàn)場檢測單元具有較好的擴(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)控制檢測系統(tǒng)信號(hào)采集遠(yuǎn)程控制

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 width modulation,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系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)的底層采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可擴(kuò)展至64組檢測模塊，同時(shí)完成最多512塊電池的測試工作。該系統(tǒng)既滿足批量化檢測任務(wù)的需求，又可確保系統(tǒng)的可靠性。通過程序設(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)充放電過程實(shí)時(shí)控制。當(dāng)過程中出現(xiàn)問題，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，具有過流、過壓、過溫保護(hù)等功能。當(dāng)充放電的實(shí)時(shí)指標(biāo)超過預(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》的要求和市場檢測需求，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，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)

檢測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　檢測系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

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)場檢測平臺(tái)控制層，完成鋰電池檢測組的充放電控制和檢測。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)阻檢測部分不在此討論。上位機(jī)通過CAN總線實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場檢測平臺(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)場檢測平臺(tái)的監(jiān)控與信息集成。上位機(jī)可以經(jīng)由現(xiàn)場檢測平臺(tái)控制器完成以下功能：①對(duì)現(xiàn)場檢測單元進(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，并將測試數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，完成待測電池?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)管理；③當(dāng)檢測完成后，將測試結(jié)果自動(dòng)生成測試報(bào)告和數(shù)據(jù)記錄文件，為客戶或質(zhì)量檢測人員提供依據(jù)。

下位機(jī)現(xiàn)場檢測平臺(tái)控制器是每組檢測單元的主控制器，以ST公司的STM32F103VCT6處理器為核心，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場檢測單元進(jìn)行管理，能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：①對(duì)待檢測鋰電池進(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)全部被測電池的充放電參數(shù)、檢測流程的統(tǒng)一；②監(jiān)測現(xiàn)場檢測單元的運(yùn)行狀態(tài)，避免出現(xiàn)過壓或過流現(xiàn)象。

2檢測系統(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)[1]。

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 0.1 μF，用于穩(wěn)定電路，并在一定程度上加強(qiáng)對(duì)波紋的抑制[2]。+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。

圖2　+3.3 V電源供電電路圖

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的有源晶振用來給RTC提供時(shí)鐘信號(hào)[3]。

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

檢測系統(tǒng)共有8個(gè)檢測平臺(tái)，每個(gè)檢測平臺(tái)含有8個(gè)檢測單元。每個(gè)檢測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[3]。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。充電過程檢測如圖3所示。

圖3　充電過程檢測框圖

2.2.3保護(hù)電路

系統(tǒng)的過電壓、過電流檢測及保護(hù)電路能夠有效保護(hù)鋰電池的充放電過程。消除操作過程中出現(xiàn)的過壓、過流的現(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充或過放電使鋰電池溫度升高發(fā)生爆炸等事故。過壓檢測及保護(hù)電路如圖4所示。

圖4　過壓檢測及保護(hù)電路圖

將系統(tǒng)的過壓和過流值分別設(shè)置為5 V和2.5 A，這里僅以過壓檢測為例說明，通過設(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)定值的過壓或過流，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，進(jìn)而在上位機(jī)準(zhǔn)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：先通過測量電路和傳感器采集鋰電池的待測信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理及A/D 轉(zhuǎn)換后送至現(xiàn)場控制器STM32，最后通過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)所檢測的鋰電池容量及充放電流均很小，所測信號(hào)比較微弱，易受干擾，對(duì)測量結(jié)果有較大影響。基于此，本文采取在被測電池的負(fù)極串聯(lián)采樣電阻的電流檢測方案，將所測電流先轉(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)5 W、20 mΩ的精密電阻，測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±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±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：

U1=-R16/R12(1+2R14/R13)(U+-U-)

(1)

式中：U+和U-分別為采樣電阻兩端電壓；R14=R15，R12=R11。

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)[4]。二級(jí)放大電路原理圖如圖5(b)所示。

圖5　放大電路原理圖

二級(jí)放大電路的輸入輸出關(guān)系為：

U2=(-R21/R20)×U1

(2)

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。

圖6　補(bǔ)償電路原理圖

2.3.2A/D轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)現(xiàn)場檢測以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)。控制器STM32的I/O接口通過模擬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[5]。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)測量電路

本文選用DSl8B20數(shù)字溫度傳感器作為測溫元件，且采用與處理器直接相連接的測溫方案。

處理器STM32F103VCT6的PB0引腳通過一支4．7 kΩ上拉電阻器與DSl8B20的溫度輸出端DQ相連，為DSl8B20提供驅(qū)動(dòng)能力。當(dāng)STM32和DSl8B20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^該導(dǎo)線對(duì)傳感器初始化并完成溫度采集[6]。

DSl8B20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[7]。

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

本文針對(duì)鋰電池性能檢測要求和現(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)場檢測平臺(tái)控制層，完成鋰電池檢測組的充放電控制和檢測。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，具有過流、過壓、過溫保護(hù)等功能，當(dāng)充放電的實(shí)時(shí)指標(biāo)超過預(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。

參考文獻(xiàn)

[1] 曹圓圓.基于STM32的溫度測量系統(tǒng)[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2010，26(1)：16-18.

[2] 陳磊.基于STM32的發(fā)動(dòng)機(jī)綜合測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2014.

[3] 韓華勝.大容量鋰電池化成檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2012.

[4] 楊才山.鋰離子電池智能測試系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2011.

[5] 畢文輝，嚴(yán)楠，崔德邦，等.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中A/D轉(zhuǎn)換器的正確選擇[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2009，36(4)：20-22.

[6] 湯鍇杰，栗燦，王迪,等.基于DS18B20的數(shù)字式溫度采集報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2014，33(3)：100.

[7] 薛宇飏，田社平.基于DS18B20的分布式糧倉測溫系統(tǒng)[J].計(jì)量技術(shù)，2014，47(9)：41-44.

Design and Implementation of Performance Detection System for Lithium Battery

Abstract：In order to satisfy the requirements of batch and modularized detection for the Lithium battery,and realize remote control of the detection process,the two-layer distributed control structure of performance detection system for Lithium battery is designed.By using the modular design idea to build the system,including the host computer,the control module with STM32 processor as the core,peripheral circuits,the battery charging and discharging control module,and signal acquisition module,etc.Several detection procedures,e.g.,constant voltage charging,constant current charging,and constant current discharging,etc.,can be realized by the host computer.The tests show that the system is running well and convenient for centralized control and management,and the field detection unit has good expansibility and maintainability.

Keywords:STM32Lithium batteryPWMClose-loop controlDetection systemSignal acquisitionRemote control

中圖分類號(hào)：TH7;TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605017

國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：2015IK276)；

天津檢驗(yàn)檢疫局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：TK037-2013);

天津檢驗(yàn)檢疫局科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(編號(hào)：TK096-2013)。

修改稿收到日期：2015-10-27。

第一作者李濤(1985-)，男，2011年畢業(yè)于天津理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事電池產(chǎn)品性能檢測方向的研究。