蓄电池循环寿命测试系统设计分析

摘要：随着科技的发展及工业现代化，环境污染是当前国际性问题。蓄电池是人类研制出的性能优异的储能设备，还有IT产品的大量应用。市场上对蓄电的需求量越来越大。而每个厂家的产品质量不同，需要对电池的循环寿命进行检测。本课题设计了基于TMS320F2812的DSP芯片为控制中心，由高性能的A／D转换器TLC2543和D／A转换器MAX538等构成的蓄电池循环寿命检测系统。同时易于计算机相连，形成一个自动的检测网络。而且按相关的标准进行放电，研究发现取得了很好的效果。
关键词：蓄电池；循环寿命；TMS320F2812；TLC2543；MAX538

    蓄电池是人类研发出的性能优异的储能设备。风能和太阳能是大自然赐予我们永不枯竭的绿色能源，蓄电池于此结合后，会带来巨大威力。发展电动汽车是减少空气污染的有效措施，但是蓄电池的使用寿命也是当下关键。而每个厂家的产品质量不同，需要对电池的循环寿命进行检测。本课题设计了基于TMS320F2812的DSP芯片为控制中心，由高性能的A／D转换器TLC2543和D／A转换器MAX538等构成的蓄电池循环寿命检测系统。同时易于计算机相连，形成一个自动的检测网络。

1 蓄电池的寿命检测
    电源的寿命包括使用寿命(电源在失效前经过多次的充放电过程中总共的可放电时间)、充放电寿命(电源失效前可重复放电的总次数)和储存寿命(电池失效前在不工作的放置状态下可储存时间)3种，一般所说的化学电源的寿命是充放电寿命(或称为循环寿命)，即在一定的充放电条件下，蓄电池的容量下降到某一条件值(通常以初始容量的某个百分数来表示)以前所能够承受的充放电循环次数。
    蓄电池的循环寿命检测按如下的流程进行：放电阶段——搁置阶段——充电阶段——搁置阶段——放电阶段——搁置阶段——充电阶段。氢-镍电池充电阶段先后分为恒电流充电阶段和恒电压充电阶段。首先在恒电流充电阶段中，随着电池中电量的增加，电池的电压逐步升高。当电池的电压达到充电电压峰值时，恒流充电阶段既告结束，电池进入恒压充电阶段。在恒压充电阶段中，充电电流将逐步减少，当减少到设定值时，表示电池充满电荷，充电阶段结束。在第5步检测中，通过检测放电电流和放电时间就可以检测电池容量。

2 基本充电方法介绍
2．1 恒压充电
    恒压充电是将充电电压规定在过充电区域内，而且在充电的工程中限制充电电流防止对蓄电池造成破换。充电开始阶段由于电池两端电压较低，因此充电电流通常处于限制的充电电流值，随着蓄电池电压到达规定的充电电压值后，充电电流随之逐步降低，按指数下降，直至在某一点到达稳定。恒压充电在初始阶段充电电流处于规定数值，电流比较大，此阶段充入很大的电量(60％左右)，到达规定值后电流降低，每传输一定电量需要的时间也跟着增加，导致需要较长时间可以将剩余电量冲入电池。因此恒电压充电方法具有能精确控制充电电压，过充电非常小，能通过调节充电电压和限流值来实现快慢速充电等特点，此时也存在充电末尾时间长，容易导致充电不足和容量降低，不能对电池组进行均衡充电，而浮充高规定流值进行快速充电时，充电后期会跟着电池老化而逐步增高，容易导致热失控现象等缺点。
2．2 恒电流充电
    恒电流充电方法通过利用恒定的电流源对电池进行充电来实现的。由于通常不对充电电压进行控制，就此恒电流充电不受电池内单体电池电压的影响，非常能实现均衡充电。可是在充电的进行中充电电压大量时间处于高压状态，较易产生析气和板栅腐蚀。恒电流充电南于充电电流恒定，可以较好的测量和控制充电电量，而由于缺乏电压控制，单纯的恒流充电可能导致严重过充电，电池产生析气，干涸，析栅腐蚀等问题，从而电池寿命缩短导致电池损坏。
2．3 分阶段充电
    分阶段充电是当前使用最多的蓄电池充电方法，由于蓄电池在充电过程中不同阶段所处的状态分别采用恒压限流和恒流充电的策略，通常分为3个阶段，即恒流充电阶段、恒压充电阶段和涓流充电阶段。在充电初期由于电池的充电接受牢比较高；用较大电流进行恒流充电方法，来使电池快速冲入电量，蓄电池的端电压逐步增高，将到达规定电压时电池内部反应比较剧烈，如果还以大电流就会导致析气，因此变换为恒压充电，在恒定的充电电压下充电；当电池电流降低到较小的值时电池已经充进大部分电量，接着进入涓流充电阶段，就此用小电流进行持续补足充电，来充入剩下的电量并持续补足电池的自放电引起的电量，以保证在结束充电前蓄电池的状态为满。
    三阶段式充电是结合恒压恒流充电的特点，全面考虑充电的时间，蓄电池安全和恒流效果等原因而采用的折中方法，可是由于其核心思想仍是传统的恒压恒流方法，随着电池老化可能导致充电不足而产生蓄电池过早失效，然而充电时间依旧很长，不能达到当今的要求。

3 系统硬件设计
    硬件主要包括：TMS320F2812、A／D D／A接口电路和充放电电路。
3．1 TMS320F2812和A／D D／A接口电路
    这部分电路是整个控制系统的中心，主要包括TMS320F2812和A／D电路转换器TLC2543、D／A转换器MAX538电路。TLC2543是11通道的12位模数转换器，它具有输入通道多、精度高、速度快、使用灵活和体积小的优点。在本系统中分别使用TLC2543的通道0和通道1构成对蓄电池的实时电压和电流的采样，采样结果在LCD上显示。TMS320F2812和TLC2543的链接电路如图1所示。

    MAX538电路是12位的串行D／A转换器，具有快速转换转、高精度、低功耗等优点。它很合适电池检测、电池供电测试仪器、计算机移动控制装置、手机等领域。MAX538电路非常简单，只需3条线与TMS320F2812的I／O相连就可以通信。如图2所示。

3．2 充放电电路
    系统的充放电电路如图3所示。在该电路的节点V+和V-之间接入待测蓄电池的正负极，当继电器的K1双掷开关合到上面时为充电状态，反之为放电状态。该电路能实现锂电池的恒流充电和恒压充电，及恒流放电。恒流电路主要由运算放大器A1和A2组成，其中A1级是差分放大电路，差分电路的输入是从R22两端反馈回来的电压UR22=UI+-UI-=IR22其中I是充电电流，输出时UAD0，只要调整UAD1，UAD0将随之改变，从而调整锂电池充电电流I。参考电压UAD1是由MAX538的输出提供，通过改变TMS320F2812的输入到MAX538的控制字可以改变输出UAD1，从而得到所需要的恒流充放电电流，在恒流充电过程中随着电池电量的增加，电池电压将会升高。恒压电路由运算放大器A3和A4组成，其中A3级也是差分放大电路，其输入是电池反馈回来的电压UBATTERY=UV+-UV-选R13=R14=R15=R16，则经A3级差分放大后输出UAD1=URATTERY若给定1．2 V，则当电池恒流充电到电池电压达到1．2 V时，电路转为对电池进行恒压充电。在恒压充电过程中，随着氢一镍电池电量的增加，电池电压保持不变，而充电电流将逐步减少，当电流充电到设定值时，充电过程结束。

    R19、Q1和D2构成充放开关电路，决定充放电回路是否导通。当输入端CON2为1时，三极管Q1和二极管D2都导通，则三极管Q2基极被嵌在低电平，因此Q2不能导通，此时场效应管不工作，电池也就不能进行充放电。反之，则允许系统对电池放电。显然，该电路具有保护作用，当充放电过程中电池的电压和电流发生异常时，立即置CON2为1，切断充放电过程。为了提高系统的稳定性，系统电阻采用精密电阻，且在每个运算放大器的正负电源与地之间都接入104的钽电容，起去耦作用。

4 上位机监测见面设计
    充放电作为在线检测系统的上位机部分，其主要任务是下位机检测数据的统计显示、图标生成与存储功能。本设计将采用C++编程语言实现，具有较好的人机交互界面。
4．1 界面显示功能
    上位机界面主要显示充电器在充放电进行中的原边电流，电压和充电电流，电压，电池容量及温度。每个显示部分包括曲线图形式表示随时间的变化电压(电流)幅值、容量变化值和以数字量表示的即时电压(电流)幅值。其中曲线图坐标设有改变横坐标值箭头，便于细化观察值曲线变化。
4．2 存储功能
    系统存储主要包括数据存储和曲线图像存储。存储方式分为自动存储和手动存储两种。所有信息将存储在一个随系统程序运行时自动生成的文件夹内。
    自动存储：包括即时数据(电压，电流，容量，充电状态，时间)和充电状态发生转变前后的曲线图形。
    手动存储：则是根据用户需求，点击界面上的存储波形按钮，存储感兴趣波形。

5 电池循环寿命的程序设计及测试分析
5．1 影响循环寿命的因素
5．1．1 放电深度
    循环寿命与放电深度有着直接关系。通常来说，加大放电深度会降低蓄电池的循环寿命。在系统初始设计中，可以用这些实验数据，来采用规定电池放电深度的策略得到所需的循环寿命。随着放电深度的加大，电极内部引起的应力增大，进而导致蓄电池寿命下降。还有该过程还涉及电极的机械膨胀和收缩、锌电极的溶解问题及电化学问题。
5．1．2 温度的的因素
    温度也是影响循环寿命的一个重要因素，同时影响着蓄电池的各个方面。总体来说，镍系列碱性电池在10～30摄氏度下性能最好。超出这个温度的范围，蓄电池的性能和循环寿命都将会降低。如果系统的设计和应用环境能保证电池工作在最合适的温度范围内，将会得到很好的性能和较长的循环寿命。
5．1．3 失效机理
    先前的镍锌电池的失效机理包含锌的迁移、锌电极的变形、枝晶短路和纤维素基隔膜的水解。当今这些问题都已基本上获得了解决。通过应用低溶解的锌酸钙电极技术，枝晶短路和变形问题实际得到了消除。此外，锌的迁移也很大的减少，隔膜体系也获得大幅度改善，纤维素基隔膜也被稳定的聚合物锌迁移屏障材料所代替。密封锌镍蓄电池的失效原理主要有两种：锌电极的失效和电池的干涸。
    即使应用了地溶解度的锌酸钙电极，锌电极在碱性电解质中仍还有一定的溶解度。锌可以在电解质中生成复合锌酸根离子，而后扩散到整个蓄电池中。一部分锌酸根沉积在镍电极的孔隙中，如此会影响镍电极，更影响蓄电池的性能，而且这也可以产生电池容量逐渐下降的其中一个原因。
5．2 循环寿命测试
    在100％深度放电情况下，锌镍电池循环寿命能达400次以上。循环寿命在非常大的程度上决定于具体使用情况，影响原因有放电电流、放电深度、充电制度、过充电量、滥用程度、环境温度以及力学环境。在电池进行充放电循环时，蓄电池内部产生物理变化和劣化导致电池容量逐步下降。对于具体的电池设计，此种容量的逐渐下降属于正常情况，并且能预见。系统的设计能在总体产品规格和设计中指明蓄电池的老化状况。在100％放电深度下，电池在容量下降到额定值的80％以前可以进行450次循环。在循环寿命末期，电池容量衰减呈现增大现象，然而此种情况能看作是电池将要失效的一个早期预示。
    锌镍电池的但电池的电压特性与循环寿命的关系如图5所示，所示图中给出了放电中点电压与循环寿命的关系。放电中点电压被定义为电池在放电时的带负载电压，放电中点是基于蓄电池的放电容量来确定。循环中电池应用100％深度放电，以C／2率(15 A)充放电。如在此加速测试条件下，蓄电池每天累计进行3次循环，然而在非常多数的应用中，电池每天仅循环一次。能看出，与容量逐步减少类似，蓄电池的负载放电电压也跟着循环次数的增加而逐步下降。引起电压下降的原因是，随着电极逐渐变干涸，电极慢慢产生劣化，因此导致电池电阻逐步增大。当电池可以承受所施加的放电电流时，电压的衰减按呈现线行状、可预测的。而一旦当电池不能承受这一电流时，也就没法提“失效”如果这时减小放电电流，蓄电池可以继续工作，并仍能放出80％以上的额定容量，能循环差不多500次。每一组数据都是在蓄电池放电深度是100％的情况下测出来的。
    蓄电池的寿命是以电容下降到某一特定值前能够承受的充放次数。恒流法的放电容量与放电电流有很大关系，并且放电温度、充电制度、搁置时间等都会对电容有影响。在同样的放电制度下，不同的充电制度对电池的充放电效率不一致，因此电池的放电容量也会有区别。同样，在相同的充电制度下，搁置10 min与搁置1 h再进行放电容量的测试，其结果也会有20％～5％的差别，具体视电池的自放电性能绝定。电池的寿命检测时间较长，常用的循环寿命检测设备都与上计算机相连。在检测时可预先设定检测的参数，通过计算机或检测设备的控制面板发送参数至检测设备。发送时保证参数的准确无误。

6 结论
    本系统结合蓄电池生产的实际问题，实现了蓄电池循环寿命参数检测的实时性，并结合PC机实现在线检测和图形化人机交互。还有测试系统精度好、数据记录全、实现了高精度低成本的设计需求，可以很好的发展前景。