CN105676140A - 一种锂电池精密负载电流发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂电池精密负载电流发生器，包括恒流充放电的锂电池单元、数据采集单元、控制执行单元、微处理器控制单元及PC机数据采集与分析单元，锂电池单元连接数据采集单元，数据采集单元连接微处理器控制单元，微处理器控制单元通过控制执行单元连接锂电池单元和数据采集单元，微处理器控制单元还通过通讯接口连接PC机数据采集与分析单元。受控负载电流采集单元通过单片机将给定电流信号转化为给定电压信号实现负载电流的可控调节，通过对分流器电阻压降的采集实现负载电流的采集，而且负载电流的大小可以通过负载电阻，实现高精度采集。实现了锂电池充放电电流的精密测试以及可编程控制。

Description

一种锂电池精密负载电流发生器

技术领域

本发明涉及一种涉及锂电池检测技术领域，具体涉及一种锂电池精密负载电流发生器。

背景技术

随着工业生产以及人类生活对蓄能装置要求的提高，电池技术近年来有了突飞猛进的发展，各种类型的蓄电池已经普遍应用在人们日常的生产生活实际中，人们对蓄电池的性能要求也越来越高。目前发展较成熟且使用较多的蓄电池主要是铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池，在众多的电池种类中，锂离子电池凭其重量轻、体积小、寿命长、电压高和无污染等优势逐步取代镍氢等电池，成为新一代的理想电源。生产生活应用中对锂电池有：高比能量，高比功率；充电时间短、连续放电率高，自放电率低；安全可靠；寿命长、成本低等基本要求。

随着应用场合的增加，在实践过程中发现，锂电池输出特性受环境温度、充放电条件等因素影响较大，尤其锂电池串并联成组后，单体之间的不一致性差异导致整组电池在循环次数、输出功率等方面性能下降，性能指标上不仅不能与单体电池持平，甚至使用寿命也大大缩短，严重影响了锂电池的开发和应用。对上述问题，必须对锂电池组进行出厂检验，并定期对其性能进行检测，对单体电池进行严格的分选程序，将一致性较好的单体配组，这是组装高性能电池组的关键环节。因此，对电池测试提出了更高的要求，而电池测试中单体锂电池进行充放电电流测试对电池性能的检测尤为重要，但如何实现可控的高精度负载电流成为锂电池充放电电流检测的关键问题，充放电过程中负载电流的测试精度对于锂电池的性能分析至关重要。

对电流的准确检测不仅涉及性能的分析，还可及时预防电池充电电流过大、电流波动频繁，以及出现短路等状况，因此，在充放电过程中电流的准确测试意义重大。

发明内容

本发明针对如何实现负载电流的精密测试提出了一种用于产生锂电池参数测试所需的精密负载电流的发生器。

本发明采用如下技术方案：

一种锂电池精密负载电流发生器，包括恒流充放电的锂电池单元、数据采集单元、控制执行单元、微处理器控制单元及PC机数据采集与分析单元，锂电池单元连接数据采集单元，数据采集单元连接微处理器控制单元，微处理器控制单元通过控制执行单元连接锂电池单元和数据采集单元，微处理器控制单元还通过通讯接口连接PC机数据采集与分析单元；

所述锂电池单元包括锂电池和电流取样电阻，通过测量电流取样电阻上的压降就能计算出被测电流大小，进而反应锂电池的性能；所述取样电阻也可以换作霍尔电流传感器；

所述数据采集单元包括受控负载电流采集单元、电流反馈比较单元、电压检测单元，电压检测单元实时监测锂电池单元的电压，受控负载电流采集单元通过对精密取样电阻压降的采集实现负载电流的采集，并且由运算放大器构成加法运算电路实现微小电压值的放大处理，电流反馈比较单元，将负载电流采集单元放大后的电压信号交给反馈回路，与给定电流信号比较，比较结果用来控制锂电池单元实现负载电流的受控可调；

所述控制执行单元包括负载电流给定设置单元、调节器、功率放大单元，用于执行微处理器控制单元的控制命令；

所述微处理器控制单元包括单片机，单片负责接收上位机的电流给定指令、充放电控制指令，并且将采集到的数据上传到PC机进行分析，储存；

所述PC机数据采集与分析单元，通过通讯单元实现与微处理器控制单元的通信，利用PC机进行单片机采集数据的分析。

优选地，所述负载电流给定设置单元连接微处理器控制单元，所述调整器是由运算放大器组成的调整电路，所述功率放大单元包括功率放大器，功率放大器输出端连接有串联的二极管，串联的二极管两端分别经MOS管连接锂电池单元。

优选地，所述MOS管包括一个PMOS场效应管和一个NMOS场效应管，两者构成电流充放电驱动电路，锂电池单元在进行充放电时分别由两个MOS管对充放电信号进行响应，充放电电流是单片机模数转换器输出的任意波形。

优选地，所述锂电池单元的输出端连接电流放大反馈单元，电流放大反馈单元的输入端连接有基准电路，电流放大反馈单元的输出端连接分别连接微处理器控制单元和调节器。

优选地，所述基准电路包括精密基准源、调压电阻和运算放大器，调压电阻使基准电路输出的基准电压受控可调。

优选地，所述电流放大反馈单元采集的负载电流输出波形由电流给定信号控制，微处理器控制单元的模数转换器输出端向负载电流给定设置单元输出产生不同波形的负载电流给定信号；

受控负载电流采集单元采集到的负载电流实际波形，经电流反馈比较单元输入到微处理器控制单元与给定的负载电流波形比较，使充放电电流无限接近于单片机给定值，得到稳定电流。

采用如上技术方案取得的有益技术效果为：

受控负载电流采集单元通过单片机将给定电流信号转化为给定电压信号实现负载电流的可控调节，通过对分流器电阻压降的采集实现负载电流的采集，而且负载电流的大小可以通过负载电阻，实现高精度采集。实现了锂电池充放电电流的精密测试以及可编程控制。

附图说明

图1是本发明锂电池精密负载电流发生器的***结构图。

图2是控制执行单元和受控负载电流采集单元电路的硬件结构图。

图3是本发明锂电池精密负载电流发生器的电压采集硬件结构图。

图4是本发明锂电池精密负载电流发生器的AD信号转换硬件结构图。

图5是本发明锂电池精密负载电流发生器的通讯电路硬件结构图。

具体实施方式

锂电池精密负载电流发生器，能实现锂电池充放电过程中的负载电流的精密采集，锂电池充放电电流的采集精度对于锂电池的性能测试具有十分重要的作用。

以下结合附图1-5对本发明作进一步的详细说明：

一种锂电池精密负载电流发生器，包括恒流充放电的锂电池单元、数据采集单元、控制执行单元、微处理器控制单元及PC机数据采集与分析单元，锂电池单元连接数据采集单元，数据采集单元连接微处理器控制单元，微处理器控制单元通过控制执行单元连接锂电池单元和数据采集单元，微处理器控制单元还通过通讯接口连接PC机数据采集与分析单元。

锂电池单元包括锂电池和负载电阻，通过测量负载电阻上的压降就能计算出被测电流大小，进而反应锂电池的性能。

数据采集单元包括受控负载电流采集单元、电流反馈比较单元、电压检测单元，电压检测单元实时监测锂电池单元的电压，受控负载电流采集单元通过对精密取样电阻压降的采集实现负载电流的采集，并且由运算放大器构成加法运算电路实现微小电压值的放大处理，电流反馈比较单元，将负载电流采集单元放大后的电压信号交给反馈回路，与给定电流信号比较，比较结果用来控制锂电池单元实现负载电流的受控可调。

如图5所示，PC机数据采集与分析单元，利用PC机的丰富资源进行单片机采集数据的分析，通过上位机软件实现锂电池性能的精确分析。其中单片机与上位机之间的通讯采用USART-USB接口实现，单片机通过通讯接口将采集到的负载电流信号，锂电池充放电过程中的电压信号上传至上位PC机进行数据分析，同时上位PC机也可以将要测试的电流给定信号传输给单片机进行负载电流的给定。

微处理器控制单元，采用的单片机为TI公司的STM32F103系列单片机，编程灵活，所具有的资源足以满足本测试装置的性能要求，微处理器控制单元还包括AD转换器电路。

由图4所示，本发明AD转换器采用ADS1274芯片，能够实现多通道信号同步采集。ADS1274允许在高速、高分辨率、低功耗、低速4种工作模式中选择一种，模式设置由数字输入引脚MODE状态所决定。本发明中ADS1274的模式选择引脚MODE[1:0]连接单片机的IO引脚由单片机进行AD转换工作模式的选择。ADS1274转换后的数据输出采用SPI协议与单片机通信，同时选定数据输出格式为TDM模式由DOUT1引脚移位输出，协议和数据输出格式的选择是由FORFMAT引脚的输入状态确定。

本发明AD转换模块中由于***采集的电压非常微弱，在微伏量级，而环境中的噪声和干扰的强度大约为零点几毫伏，故在A/D采样前需对电路输出信号进行调理，以滤除环境噪声，提高共模抑制比。本发明信号调理电路主要采用TI公司OPA1632运算放大器组成采集电压信号AD转换前的调理电路。

受控负载电流采集单元，***设计时选用分流器，让需要检测的电流流过分流器电阻，通过测量电阻上的压降就能计算出被测电流大小。分流器负载电阻应用简单，计算方便，精度适合。本发明采用阻值为2.2欧姆的精度电阻来进行负载电流的产生，同时负载电流的采集是通过采集负载电阻两端的电压降来实现。

因为采集到的电压信号为微弱信号，经由集成运算放大器LM358构成的加法放大电路，放大10倍后，在加上基准电压电路产生的1.5V的精密基准电压值，将相加得到含有负载电流信号的电压值送至单片机的接口以实现负载电流信号的采集。因单片机信号的范围为0～5V，因而信号分析时信号值在2.5V左右位置最精确，基准电压的作用是将信号电压抬高至最适合位置，以方便单片机的识别和数据采集。

上述基准电压产生电路，采用可控精密稳压源TL431来进行基准电压的发生，TL431的输出用两个分压电阻就可以任意设置由Verf(2.5V)至36V范围内的任何电压值，本发明设计有滑动变阻器以实现基准电压值的可控设计。当然本发明一般情况基准电压的设定值为1.5V。

负载电流反馈比较单元，采用单电源集成运算放大器LM358将受控负载电流采集单元采集的电压信号和给定的电压(电流)信号相比较，以此判断被测锂电池的响应速度，分析被测锂电池的性能情况。

充放电控制单元，包括两个二极管，两个控流电阻，以及两个MOS管。为了实现充放电的单片机可控，本发明采用集成运算放大器LM358设计了电压的比较放大电路，将给定电压信号和采集的负载电压信号的差值经比较放大电路放大100倍后，将放大后的电压信号输送给控制器进行充放电控制。

充放电方式采用恒流方式，当给定电压值比采集负载电压值高时，比较放大电路输出为高电平，MOS管Q1导通，MOS管Q2截止，电池进行恒流充电；当给定电压值比采集负载电压值低时，差分放大电路输出为低电平，MOS管Q2导通，MOS管Q1截止，锂电池进行恒流放电。

当电池充电至高电压时，充电电流会减少，这时加法运放两端输入电压差(负载电阻压降)减小，加法运算输出电压值会相应减小。而差分运放的输出电压值增大。当差分运放的输出电压值增大时，MOS管Q1的基极电流增加，相应的发射极电流值也增大，充电电流增加。通过反馈***实现了锂电池的恒流充电。

同样，电池放电时电池的端电压减小，放电电流增大，这时加法运放两端输入电压差(负载电阻压降)增大，加法运算输出电压值增大，差分运放的输出电压值减小。MOS管Q2的基极电流减小，相应集电极电流减小，放电电流值也会减小。通过反馈***实现了锂电池的恒流放电。

锂电池电压采集单元，如图3所示，可以采集锂电池充放电过程中的实时电压值，并且结合实时电流数据，以更好的进行锂电池的性能分析。本发明设计利用集成运算放大器搭建线性电路，经电路采集的电压值通过电压调理信号调理后，将该值送人A/D转换器中进行处理。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (6)

1.一种锂电池精密负载电流发生器，其特征在于，包括恒流充放电的锂电池单元、数据采集单元、控制执行单元、微处理器控制单元及PC机数据采集与分析单元，锂电池单元连接数据采集单元，数据采集单元连接微处理器控制单元，微处理器控制单元通过控制执行单元连接锂电池单元和数据采集单元，微处理器控制单元还通过通讯接口连接PC机数据采集与分析单元；

所述锂电池单元包括锂电池和电流取样电阻，通过测量电流取样电阻上的压降就能计算出被测电流大小，进而反应锂电池的性能；

所述数据采集单元包括受控负载电流采集单元、电流反馈比较单元、电压检测单元，电压检测单元实时监测锂电池单元的电压，受控负载电流采集单元通过对精密取样电阻压降的采集实现负载电流的采集，并且由运算放大器构成加法运算电路实现微小电压值的放大处理，电流反馈比较单元，将负载电流采集单元放大后的电压信号交给反馈回路，与给定电流信号比较，比较结果用来控制锂电池单元实现负载电流的受控可调；

所述控制执行单元包括负载电流给定设置单元、调节器、功率放大单元，用于执行微处理器控制单元的控制命令；

所述微处理器控制单元包括单片机，单片负责接收上位机的电流给定指令、充放电控制指令，并且将采集到的数据上传到PC机进行分析，储存；

所述PC机数据采集与分析单元，通过通讯单元实现与微处理器控制单元的通信，利用PC机进行单片机采集数据的分析。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池精密负载电流发生器，其特征在于，所述负载电流给定设置单元连接微处理器控制单元，所述调整器是由运算放大器组成的调整电路，所述功率放大单元包括功率放大器，功率放大器输出端连接有串联的二极管，串联的二极管两端分别经MOS管连接锂电池单元。

3.根据权利要求2所述的一种锂电池精密负载电流发生器，其特征在于，所述MOS管包括一个PMOS场效应管和一个NMOS场效应管，两者构成电流充放电驱动电路，锂电池单元在进行充放电时分别由两个MOS管对充放电信号进行响应，充放电电流是单片机模数转换器输出的任意波形。

4.根据权利要求2所述的一种锂电池精密负载电流发生器，其特征在于，所述锂电池单元的输出端连接电流放大反馈单元，电流放大反馈单元的输入端连接有基准电路，电流放大反馈单元的输出端连接分别连接微处理器控制单元和调节器。

5.根据权利要求4所述的一种锂电池精密负载电流发生器，其特征在于，所述基准电路包括精密基准源、调压电阻和运算放大器，调压电阻使基准电路输出的基准电压受控可调。

6.根据权利要求5所述的一种锂电池精密负载电流发生器，其特征在于，所述电流放大反馈单元采集的负载电流输出波形由电流给定信号控制，微处理器控制单元的模数转换器输出端向负载电流给定设置单元输出产生不同波形的负载电流给定信号；

受控负载电流采集单元采集到的负载电流实际波形，经电流反馈比较单元输入到微处理器控制单元与给定的负载电流波形比较，使充放电电流无限接近于单片机给定值，得到稳定电流。