引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平的逐漸提高與完善,鋰電池的身影在各行各業(yè)出現(xiàn)得越來越多,如新能源汽車、無人機(jī)、電動(dòng)設(shè)備等領(lǐng)域。相較于傳統(tǒng)的鉛酸電池,鋰電池有工作電壓高、能量密度高等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于一臺(tái)使用鋰電池作為電力供應(yīng)的設(shè)備來說,鋰電池性能的優(yōu)劣在一定程度上決定了這臺(tái)設(shè)備的使用表現(xiàn),對(duì)于一架無人機(jī)來說,如果其使用的鋰電池容量較低,則無人機(jī)的續(xù)航里程就會(huì)較短。因此,鋰電池的使用廠家應(yīng)保證其所使用的電池的性能符合設(shè)備的使用要求,故對(duì)鋰電池的性能進(jìn)行檢測(cè)是必不可少的工作。

本文以STM32系列單片機(jī)為主控芯片,設(shè)計(jì)出一種鋰動(dòng)力電池檢測(cè)裝置,裝置通過樣本學(xué)習(xí)的方式獲得判定基準(zhǔn)值,并依據(jù)判定基準(zhǔn)值檢測(cè)鋰動(dòng)力電池的性能是否優(yōu)良。

1方案原理設(shè)計(jì)

1.1學(xué)習(xí)模式—獲取N節(jié)電池的電性能平均值

電池的端電壓是衡量其性能的最基本參數(shù),端電壓過低,則影響用電設(shè)備的正常使用,端電壓過高,則會(huì)損壞用電設(shè)備:其次,電池的內(nèi)阻決定了在電池回路中電動(dòng)勢(shì)在電池內(nèi)部產(chǎn)生的壓降,電池的內(nèi)阻越小,則電池本身產(chǎn)生的壓降越小,損耗越低。鋰電池短路后,其端電壓下降,短路切除后,其端電壓會(huì)逐漸恢復(fù)至原電壓。取短路切除后至電壓恢復(fù)至原電壓90%時(shí)的時(shí)間間隔作為鋰電池的恢復(fù)時(shí)間,電池的恢復(fù)時(shí)間越短,表征了電池的放電恢復(fù)能力越強(qiáng)。

工作在學(xué)習(xí)模式時(shí),裝置通過采樣計(jì)算,會(huì)獲得判定電池性能優(yōu)劣的基準(zhǔn)值。裝置依次采集樣本中每節(jié)電池的端電壓、內(nèi)阻、恢復(fù)時(shí)間,樣本所包含的電池?cái)?shù)量可進(jìn)行人工設(shè)定,樣本的選擇應(yīng)具有隨機(jī)性。采集完成后,計(jì)算出3個(gè)參數(shù)的平均值,將平均值視為判定基準(zhǔn)值,并保存在EEPROM中。

1.2檢測(cè)模式—篩選出劣質(zhì)電池

設(shè)置裝置工作在檢測(cè)模式,開始對(duì)非樣本電池進(jìn)行檢測(cè),分別采樣每節(jié)電池的端電壓、內(nèi)阻和恢復(fù)時(shí)間,計(jì)算每節(jié)電池的參數(shù)與判定基準(zhǔn)值的差值,若差值超過設(shè)定的閾值,則判定本節(jié)電池為劣質(zhì)電池,裝置的觸摸屏將進(jìn)行特殊顯示,并產(chǎn)生蜂鳴音,提示本節(jié)電池為劣質(zhì)電池。

方案的原理設(shè)計(jì)如圖1所示。

2方案的實(shí)現(xiàn)

2.1硬件設(shè)計(jì)

裝置使用的主要硬件包括:主控芯片STM32系列、具有語音功能的觸摸屏、功率繼電器、霍爾傳感器、外部AD、RS485芯片等。主控芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)裝置的工作流程,觸摸屏完成人機(jī)交互,功率繼電器用于電池內(nèi)阻測(cè)量回路及電池短路回路,霍爾傳感器負(fù)責(zé)將電池電流轉(zhuǎn)換為AD可接收的電壓信號(hào),外部AD則完成對(duì)端電壓和電池電流的采樣。裝置使用片內(nèi)定時(shí)器測(cè)量電池的恢復(fù)時(shí)間。

主控芯片與AD芯片直接連接,采用IIC協(xié)議進(jìn)行通信:主控芯片與觸摸屏通過RS一485總線進(jìn)行連接:MCU通過控制驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)功率繼電器的吸合與斷開:鋰電池的正極連接AD轉(zhuǎn)換器的通道,負(fù)極與AD轉(zhuǎn)換器共地:電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),并與AD轉(zhuǎn)換器直接連接。

裝置含有兩個(gè)電壓等級(jí)的電源,其中AD轉(zhuǎn)換器需要專用的5V電源,便于其完成精確的電壓信號(hào)采集:MCU使用5V電源供電,觸摸屏和功率繼電器使用24V電源供電。

裝置的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2軟件設(shè)計(jì)

2.2.1采樣單節(jié)電池過程

在學(xué)習(xí)模式和工作模式中,都離不開對(duì)單節(jié)電池的采樣過程。

(1)判斷鋰電池接入系統(tǒng)。上電后,裝置的程序進(jìn)入wwhil(1)的循環(huán)中,每隔一段時(shí)間,MCU會(huì)讀取AU轉(zhuǎn)換器各通道的數(shù)據(jù),當(dāng)檢測(cè)到系統(tǒng)電池端口輸入電壓大于等于1D時(shí),則認(rèn)為電池接入系統(tǒng),延時(shí)后可進(jìn)行采樣(防抖動(dòng)處理)。

(2)經(jīng)過一定時(shí)間的延時(shí),MCU再次讀取AU轉(zhuǎn)換器中電壓通道的數(shù)據(jù),MCU經(jīng)過計(jì)算,得出當(dāng)前被采樣電池的端電壓Vk。電池電壓的計(jì)算公式如下:

式中,Vk表示被采樣電池的端電壓;X表示AU轉(zhuǎn)換器的采樣數(shù)據(jù);Vrlf表示AU轉(zhuǎn)換器的采樣參考電壓,為5D。

(3)采用電位差法,通過控制功率繼電器吸合與斷開,計(jì)算鋰電池的內(nèi)阻Rk。

(4)功率繼電器斷開,電池回路被切斷,開啟MCU定時(shí)器,每10mS執(zhí)行一次中斷,并測(cè)量電池電壓,當(dāng)電池電壓恢復(fù)至其初始電壓的90%時(shí),定時(shí)器停止計(jì)時(shí),保存電壓恢復(fù)時(shí)間7k;若電壓恢復(fù)時(shí)間超過30S,裝置退出電壓檢測(cè),認(rèn)定電池性能不合格。

2.2.2學(xué)習(xí)模式

在學(xué)習(xí)模式中,裝置的任務(wù)是獲得判斷電池樣本是否合格的基準(zhǔn)值。在樣本數(shù)量較大的情況下,采用均值處理,能夠篩選出那些性能偏離樣本總體較大的電池個(gè)體。對(duì)電池端電壓、電池內(nèi)阻、電壓恢復(fù)時(shí)間分別進(jìn)行均值處理,其公式如下:

式中,VS表示電池端電壓基準(zhǔn)值;RS表示電池內(nèi)阻基準(zhǔn)值;TS表示電池恢復(fù)時(shí)間基準(zhǔn)值。

均值處理完成后,通過點(diǎn)擊保存,這三個(gè)基準(zhǔn)值將保存在MCU的EEPRoe中,確保裝置失電后,數(shù)據(jù)仍然能夠保存。

在學(xué)習(xí)模式中,裝置不判斷電池的性能是否合格。

2.2.3工作模式

在工作模式中,裝置判定鋰電池的性能是否合格。在觸摸屏上點(diǎn)擊工作模式,進(jìn)入工作模式后,裝置將從EEPRoe中讀出在采樣模式中計(jì)算得來的基準(zhǔn)參數(shù)VS、RS、TS,在觸摸屏上設(shè)置判定電池性能合格的閾值分別為a%、b%和c%。

(1)確認(rèn)電池接入后,裝置自動(dòng)進(jìn)行一輪采樣,將分別得到本節(jié)電池的端電壓Vx、內(nèi)阻Rx和電壓恢復(fù)時(shí)間Tx。

(2)檢測(cè)數(shù)據(jù)的判定。若當(dāng)前被檢測(cè)的電池性能數(shù)據(jù)同時(shí)滿足如下3個(gè)公式,則判定本節(jié)電池的性能合格。若電池?cái)?shù)據(jù)不滿足其中任何一個(gè)不等式,則判定本節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)有瑕疵,觸摸屏將發(fā)出聲光報(bào)警。

2.2.4通信規(guī)約設(shè)計(jì)

裝置由觸摸屏來完成人機(jī)交互,觸摸屏與主控芯片之間的通信通過RS-485總線實(shí)現(xiàn),MCU將采樣數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至觸摸屏進(jìn)行顯示,同時(shí)人可以通過觸摸屏向裝置下發(fā)命令。MCU與觸摸屏之間通信的報(bào)文幀格式如表1所示。

MCU通過向觸摸屏的特定寄存器發(fā)送數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏亮度、按鍵音等功能的控制;同時(shí)MCU通過向觸摸屏特定地址的存儲(chǔ)單元發(fā)送數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觸摸屏所顯示的采樣數(shù)據(jù)的刷新。在報(bào)文中使用不同的指令碼(表2),就能完成對(duì)觸摸屏中的寄存器和存儲(chǔ)器的精確訪問。

3試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)本設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了電池樣本的測(cè)試,樣本的數(shù)量為200只,經(jīng)過對(duì)比,裝置篩選出來的不合格電池均為性能較差者,顯示了方案的有效性。

通過設(shè)定不同的閾值,即可設(shè)定不同的測(cè)試嚴(yán)格程度。給定的閾值較大,則不合格的數(shù)量會(huì)較少;反之,則不合格的數(shù)量較多。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

4結(jié)語

本文提出了一種針對(duì)批量鋰動(dòng)力電池的檢測(cè)方案,并進(jìn)行了軟件與硬件的設(shè)計(jì),對(duì)于鋰動(dòng)力電池的使用廠家來說,本方案具有一定的借鑒意義。本方案在電性能參數(shù)的設(shè)置以及閾值大小的設(shè)置上尚需進(jìn)行大量的測(cè)試和驗(yàn)證,才能找到最優(yōu)的參數(shù)組合。