引言

隨著工業(yè)自動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、電動設備等領域。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。對于一臺使用鋰電池作為電力供應的設備來說,鋰電池性能的優(yōu)劣在一定程度上決定了這臺設備的使用表現(xiàn),對于一架無人機來說,如果其使用的鋰電池容量較低,則無人機的續(xù)航里程就會較短。因此,鋰電池的使用廠家應保證其所使用的電池的性能符合設備的使用要求,故對鋰電池的性能進行檢測是必不可少的工作。

本文以STM32系列單片機為主控芯片,設計出一種鋰動力電池檢測裝置,裝置通過樣本學習的方式獲得判定基準值,并依據(jù)判定基準值檢測鋰動力電池的性能是否優(yōu)良。

1方案原理設計

1.1學習模式—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,則影響用電設備的正常使用,端電壓過高,則會損壞用電設備:其次,電池的內阻決定了在電池回路中電動勢在電池內部產(chǎn)生的壓降,電池的內阻越小,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,其端電壓會逐漸恢復至原電壓。取短路切除后至電壓恢復至原電壓90%時的時間間隔作為鋰電池的恢復時間,電池的恢復時間越短,表征了電池的放電恢復能力越強。

工作在學習模式時,裝置通過采樣計算,會獲得判定電池性能優(yōu)劣的基準值。裝置依次采集樣本中每節(jié)電池的端電壓、內阻、恢復時間,樣本所包含的電池數(shù)量可進行人工設定,樣本的選擇應具有隨機性。采集完成后,計算出3個參數(shù)的平均值,將平均值視為判定基準值,并保存在EEPROM中。

1.2檢測模式—篩選出劣質電池

設置裝置工作在檢測模式,開始對非樣本電池進行檢測,分別采樣每節(jié)電池的端電壓、內阻和恢復時間,計算每節(jié)電池的參數(shù)與判定基準值的差值,若差值超過設定的閾值,則判定本節(jié)電池為劣質電池,裝置的觸摸屏將進行特殊顯示,并產(chǎn)生蜂鳴音,提示本節(jié)電池為劣質電池。

方案的原理設計如圖1所示。

2方案的實現(xiàn)

2.1硬件設計

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。主控芯片負責實現(xiàn)裝置的工作流程,觸摸屏完成人機交互,功率繼電器用于電池內阻測量回路及電池短路回路,霍爾傳感器負責將電池電流轉換為AD可接收的電壓信號,外部AD則完成對端電壓和電池電流的采樣。裝置使用片內定時器測量電池的恢復時間。

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

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

裝置的硬件設計如圖2所示。

2.2軟件設計

2.2.1采樣單節(jié)電池過程

在學習模式和工作模式中,都離不開對單節(jié)電池的采樣過程。

(1)判斷鋰電池接入系統(tǒng)。上電后,裝置的程序進入wwhil(1)的循環(huán)中,每隔一段時間,MCU會讀取AU轉換器各通道的數(shù)據(jù),當檢測到系統(tǒng)電池端口輸入電壓大于等于1D時,則認為電池接入系統(tǒng),延時后可進行采樣(防抖動處理)。

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

式中,Vk表示被采樣電池的端電壓;X表示AU轉換器的采樣數(shù)據(jù);Vrlf表示AU轉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,計算鋰電池的內阻Rk。

(4)功率繼電器斷開,電池回路被切斷,開啟MCU定時器,每10mS執(zhí)行一次中斷,并測量電池電壓,當電池電壓恢復至其初始電壓的90%時,定時器停止計時,保存電壓恢復時間7k;若電壓恢復時間超過30S,裝置退出電壓檢測,認定電池性能不合格。

2.2.2學習模式

在學習模式中,裝置的任務是獲得判斷電池樣本是否合格的基準值。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體。對電池端電壓、電池內阻、電壓恢復時間分別進行均值處理,其公式如下:

式中,VS表示電池端電壓基準值;RS表示電池內阻基準值;TS表示電池恢復時間基準值。

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

在學習模式中,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。在觸摸屏上點擊工作模式,進入工作模式后,裝置將從EEPRoe中讀出在采樣模式中計算得來的基準參數(shù)VS、RS、TS,在觸摸屏上設置判定電池性能合格的閾值分別為a%、b%和c%。

(1)確認電池接入后,裝置自動進行一輪采樣,將分別得到本節(jié)電池的端電壓Vx、內阻Rx和電壓恢復時間Tx。

(2)檢測數(shù)據(jù)的判定。若當前被檢測的電池性能數(shù)據(jù)同時滿足如下3個公式,則判定本節(jié)電池的性能合格。若電池數(shù)據(jù)不滿足其中任何一個不等式,則判定本節(jié)電池數(shù)據(jù)有瑕疵,觸摸屏將發(fā)出聲光報警。

2.2.4通信規(guī)約設計

裝置由觸摸屏來完成人機交互,觸摸屏與主控芯片之間的通信通過RS-485總線實現(xiàn),MCU將采樣數(shù)據(jù)實時發(fā)送至觸摸屏進行顯示,同時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),從而實現(xiàn)對觸摸屏亮度、按鍵音等功能的控制;同時MCU通過向觸摸屏特定地址的存儲單元發(fā)送數(shù)據(jù),可以實現(xiàn)對觸摸屏所顯示的采樣數(shù)據(jù)的刷新。在報文中使用不同的指令碼(表2),就能完成對觸摸屏中的寄存器和存儲器的精確訪問。

3試驗結果

根據(jù)本設計分別進行了電池樣本的測試,樣本的數(shù)量為200只,經(jīng)過對比,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。

通過設定不同的閾值,即可設定不同的測試嚴格程度。給定的閾值較大,則不合格的數(shù)量會較少;反之,則不合格的數(shù)量較多。試驗結果如表3所示。

4結語

本文提出了一種針對批量鋰動力電池的檢測方案,并進行了軟件與硬件的設計,對于鋰動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)的設置以及閾值大小的設置上尚需進行大量的測試和驗證,才能找到最優(yōu)的參數(shù)組合。