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(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。對于一臺使用鋰電池作為電力供應的設(shè)備來說,鋰電池性能的優(yōu)劣在一定程度上決定了這臺設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)備的正常使用,端電壓過高,則會損壞用電設(shè)備:其次,電池的內(nèi)阻決定了在電池回路中電動勢在電池內(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(nèi)阻、恢復時間,樣本所包含的電池數(shù)量可進行人工設(shè)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(zhì)電池
設(shè)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(nèi)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(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)計如圖1所示。
2方案的實現(xiàn)
2.1硬件設(shè)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(nèi)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(zhuǎn)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(nèi)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(qū)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(zhuǎn)換器的通道,負極與AD轉(zhuǎn)換器共地:電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,并與AD轉(zhuǎn)換器直接連接。
裝置含有兩個電壓等級的電源,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)計如圖2所示。
2.2軟件設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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(nèi)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(nèi)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(shè)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(nèi)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(shè)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(jié)果
根據(jù)本設(shè)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(shè)定不同的閾值,即可設(shè)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(jié)果如表3所示。
4結(jié)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(shè)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(shè)置以及閾值大小的設(shè)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。