蓄電池循環(huán)壽命測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘要：隨著科技的發(fā)展及工業(yè)現(xiàn)代化，環(huán)境污染是當(dāng)前國(guó)際性問(wèn)題。蓄電池是人類研制出的性能優(yōu)異的儲(chǔ)能設(shè)備，還有IT產(chǎn)品的大量應(yīng)用。市場(chǎng)上對(duì)蓄電的需求量越來(lái)越大。而每個(gè)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量不同，需要對(duì)電池的循環(huán)壽命進(jìn)行檢測(cè)。本課題設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的DSP芯片為控制中心，由高性能的A／D轉(zhuǎn)換器TLC2543和D／A轉(zhuǎn)換器MAX538等構(gòu)成的蓄電池循環(huán)壽命檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)易于計(jì)算機(jī)相連，形成一個(gè)自動(dòng)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。而且按相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行放電，研究發(fā)現(xiàn)取得了很好的效果。
關(guān)鍵詞：蓄電池；循環(huán)壽命；TMS320F2812；TLC2543；MAX538

    蓄電池是人類研發(fā)出的性能優(yōu)異的儲(chǔ)能設(shè)備。風(fēng)能和太陽(yáng)能是大自然賜予我們永不枯竭的綠色能源，蓄電池于此結(jié)合后，會(huì)帶來(lái)巨大威力。發(fā)展電動(dòng)汽車是減少空氣污染的有效措施，但是蓄電池的使用壽命也是當(dāng)下關(guān)鍵。而每個(gè)廠家的產(chǎn)品質(zhì)量不同，需要對(duì)電池的循環(huán)壽命進(jìn)行檢測(cè)。本課題設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812的DSP芯片為控制中心，由高性能的A／D轉(zhuǎn)換器TLC2543和D／A轉(zhuǎn)換器MAX538等構(gòu)成的蓄電池循環(huán)壽命檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)易于計(jì)算機(jī)相連，形成一個(gè)自動(dòng)的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

1 蓄電池的壽命檢測(cè)
    電源的壽命包括使用壽命(電源在失效前經(jīng)過(guò)多次的充放電過(guò)程中總共的可放電時(shí)間)、充放電壽命(電源失效前可重復(fù)放電的總次數(shù))和儲(chǔ)存壽命(電池失效前在不工作的放置狀態(tài)下可儲(chǔ)存時(shí)間)3種，一般所說(shuō)的化學(xué)電源的壽命是充放電壽命(或稱為循環(huán)壽命)，即在一定的充放電條件下，蓄電池的容量下降到某一條件值(通常以初始容量的某個(gè)百分?jǐn)?shù)來(lái)表示)以前所能夠承受的充放電循環(huán)次數(shù)。
    蓄電池的循環(huán)壽命檢測(cè)按如下的流程進(jìn)行：放電階段——擱置階段——充電階段——擱置階段——放電階段——擱置階段——充電階段。氫-鎳電池充電階段先后分為恒電流充電階段和恒電壓充電階段。首先在恒電流充電階段中，隨著電池中電量的增加，電池的電壓逐步升高。當(dāng)電池的電壓達(dá)到充電電壓峰值時(shí)，恒流充電階段既告結(jié)束，電池進(jìn)入恒壓充電階段。在恒壓充電階段中，充電電流將逐步減少，當(dāng)減少到設(shè)定值時(shí)，表示電池充滿電荷，充電階段結(jié)束。在第5步檢測(cè)中，通過(guò)檢測(cè)放電電流和放電時(shí)間就可以檢測(cè)電池容量。

2 基本充電方法介紹
2．1 恒壓充電
    恒壓充電是將充電電壓規(guī)定在過(guò)充電區(qū)域內(nèi)，而且在充電的工程中限制充電電流防止對(duì)蓄電池造成破換。充電開(kāi)始階段由于電池兩端電壓較低，因此充電電流通常處于限制的充電電流值，隨著蓄電池電壓到達(dá)規(guī)定的充電電壓值后，充電電流隨之逐步降低，按指數(shù)下降，直至在某一點(diǎn)到達(dá)穩(wěn)定。恒壓充電在初始階段充電電流處于規(guī)定數(shù)值，電流比較大，此階段充入很大的電量(60％左右)，到達(dá)規(guī)定值后電流降低，每傳輸一定電量需要的時(shí)間也跟著增加，導(dǎo)致需要較長(zhǎng)時(shí)間可以將剩余電量沖入電池。因此恒電壓充電方法具有能精確控制充電電壓，過(guò)充電非常小，能通過(guò)調(diào)節(jié)充電電壓和限流值來(lái)實(shí)現(xiàn)快慢速充電等特點(diǎn)，此時(shí)也存在充電末尾時(shí)間長(zhǎng)，容易導(dǎo)致充電不足和容量降低，不能對(duì)電池組進(jìn)行均衡充電，而浮充高規(guī)定流值進(jìn)行快速充電時(shí)，充電后期會(huì)跟著電池老化而逐步增高，容易導(dǎo)致熱失控現(xiàn)象等缺點(diǎn)。
2．2 恒電流充電
    恒電流充電方法通過(guò)利用恒定的電流源對(duì)電池進(jìn)行充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于通常不對(duì)充電電壓進(jìn)行控制，就此恒電流充電不受電池內(nèi)單體電池電壓的影響，非常能實(shí)現(xiàn)均衡充電?？墒窃诔潆姷倪M(jìn)行中充電電壓大量時(shí)間處于高壓狀態(tài)，較易產(chǎn)生析氣和板柵腐蝕。恒電流充電南于充電電流恒定，可以較好的測(cè)量和控制充電電量，而由于缺乏電壓控制，單純的恒流充電可能導(dǎo)致嚴(yán)重過(guò)充電，電池產(chǎn)生析氣，干涸，析柵腐蝕等問(wèn)題，從而電池壽命縮短導(dǎo)致電池?fù)p壞。
2．3 分階段充電
    分階段充電是當(dāng)前使用最多的蓄電池充電方法，由于蓄電池在充電過(guò)程中不同階段所處的狀態(tài)分別采用恒壓限流和恒流充電的策略，通常分為3個(gè)階段，即恒流充電階段、恒壓充電階段和涓流充電階段。在充電初期由于電池的充電接受牢比較高；用較大電流進(jìn)行恒流充電方法，來(lái)使電池快速?zèng)_入電量，蓄電池的端電壓逐步增高，將到達(dá)規(guī)定電壓時(shí)電池內(nèi)部反應(yīng)比較劇烈，如果還以大電流就會(huì)導(dǎo)致析氣，因此變換為恒壓充電，在恒定的充電電壓下充電；當(dāng)電池電流降低到較小的值時(shí)電池已經(jīng)充進(jìn)大部分電量，接著進(jìn)入涓流充電階段，就此用小電流進(jìn)行持續(xù)補(bǔ)足充電，來(lái)充入剩下的電量并持續(xù)補(bǔ)足電池的自放電引起的電量，以保證在結(jié)束充電前蓄電池的狀態(tài)為滿。
    三階段式充電是結(jié)合恒壓恒流充電的特點(diǎn)，全面考慮充電的時(shí)間，蓄電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傳統(tǒng)的恒壓恒流方法，隨著電池老化可能導(dǎo)致充電不足而產(chǎn)生蓄電池過(guò)早失效，然而充電時(shí)間依舊很長(zhǎng)，不能達(dá)到當(dāng)今的要求。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件主要包括：TMS320F2812、A／D D／A接口電路和充放電電路。
3．1 TMS320F2812和A／D D／A接口電路
    這部分電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的中心，主要包括TMS320F2812和A／D電路轉(zhuǎn)換器TLC2543、D／A轉(zhuǎn)換器MAX538電路。TLC2543是11通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有輸入通道多、精度高、速度快、使用靈活和體積小的優(yōu)點(diǎn)。在本系統(tǒng)中分別使用TLC2543的通道0和通道1構(gòu)成對(duì)蓄電池的實(shí)時(shí)電壓和電流的采樣，采樣結(jié)果在LCD上顯示。TMS320F2812和TLC2543的鏈接電路如圖1所示。

    MAX538電路是12位的串行D／A轉(zhuǎn)換器，具有快速轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。它很合適電池檢測(cè)、電池供電測(cè)試儀器、計(jì)算機(jī)移動(dòng)控制裝置、手機(jī)等領(lǐng)域。MAX538電路非常簡(jiǎn)單，只需3條線與TMS320F2812的I／O相連就可以通信。如圖2所示。

3．2 充放電電路
    系統(tǒng)的充放電電路如圖3所示。在該電路的節(jié)點(diǎn)V+和V-之間接入待測(cè)蓄電池的正負(fù)極，當(dāng)繼電器的K1雙擲開(kāi)關(guān)合到上面時(shí)為充電狀態(tài)，反之為放電狀態(tài)。該電路能實(shí)現(xiàn)鋰電池的恒流充電和恒壓充電，及恒流放電。恒流電路主要由運(yùn)算放大器A1和A2組成，其中A1級(jí)是差分放大電路，差分電路的輸入是從R22兩端反饋回來(lái)的電壓UR22=UI+-UI-=IR22其中I是充電電流，輸出時(shí)UAD0，只要調(diào)整UAD1，UAD0將隨之改變，從而調(diào)整鋰電池充電電流I。參考電壓UAD1是由MAX538的輸出提供，通過(guò)改變TMS320F2812的輸入到MAX538的控制字可以改變輸出UAD1，從而得到所需要的恒流充放電電流，在恒流充電過(guò)程中隨著電池電量的增加，電池電壓將會(huì)升高。恒壓電路由運(yùn)算放大器A3和A4組成，其中A3級(jí)也是差分放大電路，其輸入是電池反饋回來(lái)的電壓UBATTERY=UV+-UV-選R13=R14=R15=R16，則經(jīng)A3級(jí)差分放大后輸出UAD1=URATTERY若給定1．2 V，則當(dāng)電池恒流充電到電池電壓達(dá)到1．2 V時(shí)，電路轉(zhuǎn)為對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電。在恒壓充電過(guò)程中，隨著氫一鎳電池電量的增加，電池電壓保持不變，而充電電流將逐步減少，當(dāng)電流充電到設(shè)定值時(shí)，充電過(guò)程結(jié)束。

    R19、Q1和D2構(gòu)成充放開(kāi)關(guān)電路，決定充放電回路是否導(dǎo)通。當(dāng)輸入端CON2為1時(shí)，三極管Q1和二極管D2都導(dǎo)通，則三極管Q2基極被嵌在低電平，因此Q2不能導(dǎo)通，此時(shí)場(chǎng)效應(yīng)管不工作，電池也就不能進(jìn)行充放電。反之，則允許系統(tǒng)對(duì)電池放電。顯然，該電路具有保護(hù)作用，當(dāng)充放電過(guò)程中電池的電壓和電流發(fā)生異常時(shí)，立即置CON2為1，切斷充放電過(guò)程。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)電阻采用精密電阻，且在每個(gè)運(yùn)算放大器的正負(fù)電源與地之間都接入104的鉭電容，起去耦作用。

4 上位機(jī)監(jiān)測(cè)見(jiàn)面設(shè)計(jì)
    充放電作為在線檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)部分，其主要任務(wù)是下位機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)顯示、圖標(biāo)生成與存儲(chǔ)功能。本設(shè)計(jì)將采用C++編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，具有較好的人機(jī)交互界面。
4．1 界面顯示功能
    上位機(jī)界面主要顯示充電器在充放電進(jìn)行中的原邊電流，電壓和充電電流，電壓，電池容量及溫度。每個(gè)顯示部分包括曲線圖形式表示隨時(shí)間的變化電壓(電流)幅值、容量變化值和以數(shù)字量表示的即時(shí)電壓(電流)幅值。其中曲線圖坐標(biāo)設(shè)有改變橫坐標(biāo)值箭頭，便于細(xì)化觀察值曲線變化。
4．2 存儲(chǔ)功能
    系統(tǒng)存儲(chǔ)主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和曲線圖像存儲(chǔ)。存儲(chǔ)方式分為自動(dòng)存儲(chǔ)和手動(dòng)存儲(chǔ)兩種。所有信息將存儲(chǔ)在一個(gè)隨系統(tǒng)程序運(yùn)行時(shí)自動(dòng)生成的文件夾內(nèi)。
    自動(dòng)存儲(chǔ)：包括即時(shí)數(shù)據(jù)(電壓，電流，容量，充電狀態(tài)，時(shí)間)和充電狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變前后的曲線圖形。
    手動(dòng)存儲(chǔ)：則是根據(jù)用戶需求，點(diǎn)擊界面上的存儲(chǔ)波形按鈕，存儲(chǔ)感興趣波形。

5 電池循環(huán)壽命的程序設(shè)計(jì)及測(cè)試分析
5．1 影響循環(huán)壽命的因素
5．1．1 放電深度
    循環(huán)壽命與放電深度有著直接關(guān)系。通常來(lái)說(shuō)，加大放電深度會(huì)降低蓄電池的循環(huán)壽命。在系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)中，可以用這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)采用規(guī)定電池放電深度的策略得到所需的循環(huán)壽命。隨著放電深度的加大，電極內(nèi)部引起的應(yīng)力增大，進(jìn)而導(dǎo)致蓄電池壽命下降。還有該過(guò)程還涉及電極的機(jī)械膨脹和收縮、鋅電極的溶解問(wèn)題及電化學(xué)問(wèn)題。
5．1．2 溫度的的因素
    溫度也是影響循環(huán)壽命的一個(gè)重要因素，同時(shí)影響著蓄電池的各個(gè)方面?？傮w來(lái)說(shuō)，鎳系列堿性電池在10～30攝氏度下性能最好。超出這個(gè)溫度的范圍，蓄電池的性能和循環(huán)壽命都將會(huì)降低。如果系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用環(huán)境能保證電池工作在最合適的溫度范圍內(nèi)，將會(huì)得到很好的性能和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。
5．1．3 失效機(jī)理
    先前的鎳鋅電池的失效機(jī)理包含鋅的遷移、鋅電極的變形、枝晶短路和纖維素基隔膜的水解。當(dāng)今這些問(wèn)題都已基本上獲得了解決。通過(guò)應(yīng)用低溶解的鋅酸鈣電極技術(shù)，枝晶短路和變形問(wèn)題實(shí)際得到了消除。此外，鋅的遷移也很大的減少，隔膜體系也獲得大幅度改善，纖維素基隔膜也被穩(wěn)定的聚合物鋅遷移屏障材料所代替。密封鋅鎳蓄電池的失效原理主要有兩種：鋅電極的失效和電池的干涸。
    即使應(yīng)用了地溶解度的鋅酸鈣電極，鋅電極在堿性電解質(zhì)中仍還有一定的溶解度。鋅可以在電解質(zhì)中生成復(fù)合鋅酸根離子，而后擴(kuò)散到整個(gè)蓄電池中。一部分鋅酸根沉積在鎳電極的孔隙中，如此會(huì)影響鎳電極，更影響蓄電池的性能，而且這也可以產(chǎn)生電池容量逐漸下降的其中一個(gè)原因。
5．2 循環(huán)壽命測(cè)試
    在100％深度放電情況下，鋅鎳電池循環(huán)壽命能達(dá)400次以上。循環(huán)壽命在非常大的程度上決定于具體使用情況，影響原因有放電電流、放電深度、充電制度、過(guò)充電量、濫用程度、環(huán)境溫度以及力學(xué)環(huán)境。在電池進(jìn)行充放電循環(huán)時(shí)，蓄電池內(nèi)部產(chǎn)生物理變化和劣化導(dǎo)致電池容量逐步下降。對(duì)于具體的電池設(shè)計(jì)，此種容量的逐漸下降屬于正常情況，并且能預(yù)見(jiàn)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能在總體產(chǎn)品規(guī)格和設(shè)計(jì)中指明蓄電池的老化狀況。在100％放電深度下，電池在容量下降到額定值的80％以前可以進(jìn)行450次循環(huán)。在循環(huán)壽命末期，電池容量衰減呈現(xiàn)增大現(xiàn)象，然而此種情況能看作是電池將要失效的一個(gè)早期預(yù)示。
    鋅鎳電池的但電池的電壓特性與循環(huán)壽命的關(guān)系如圖5所示，所示圖中給出了放電中點(diǎn)電壓與循環(huán)壽命的關(guān)系。放電中點(diǎn)電壓被定義為電池在放電時(shí)的帶負(fù)載電壓，放電中點(diǎn)是基于蓄電池的放電容量來(lái)確定。循環(huán)中電池應(yīng)用100％深度放電，以C／2率(15 A)充放電。如在此加速測(cè)試條件下，蓄電池每天累計(jì)進(jìn)行3次循環(huán)，然而在非常多數(shù)的應(yīng)用中，電池每天僅循環(huán)一次。能看出，與容量逐步減少類似，蓄電池的負(fù)載放電電壓也跟著循環(huán)次數(shù)的增加而逐步下降。引起電壓下降的原因是，隨著電極逐漸變干涸，電極慢慢產(chǎn)生劣化，因此導(dǎo)致電池電阻逐步增大。當(dāng)電池可以承受所施加的放電電流時(shí)，電壓的衰減按呈現(xiàn)線行狀、可預(yù)測(cè)的。而一旦當(dāng)電池不能承受這一電流時(shí)，也就沒(méi)法提“失效”如果這時(shí)減小放電電流，蓄電池可以繼續(xù)工作，并仍能放出80％以上的額定容量，能循環(huán)差不多500次。每一組數(shù)據(jù)都是在蓄電池放電深度是100％的情況下測(cè)出來(lái)的。
    蓄電池的壽命是以電容下降到某一特定值前能夠承受的充放次數(shù)。恒流法的放電容量與放電電流有很大關(guān)系，并且放電溫度、充電制度、擱置時(shí)間等都會(huì)對(duì)電容有影響。在同樣的放電制度下，不同的充電制度對(duì)電池的充放電效率不一致，因此電池的放電容量也會(huì)有區(qū)別。同樣，在相同的充電制度下，擱置10 min與擱置1 h再進(jìn)行放電容量的測(cè)試，其結(jié)果也會(huì)有20％～5％的差別，具體視電池的自放電性能絕定。電池的壽命檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，常用的循環(huán)壽命檢測(cè)設(shè)備都與上計(jì)算機(jī)相連。在檢測(cè)時(shí)可預(yù)先設(shè)定檢測(cè)的參數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)或檢測(cè)設(shè)備的控制面板發(fā)送參數(shù)至檢測(cè)設(shè)備。發(fā)送時(shí)保證參數(shù)的準(zhǔn)確無(wú)誤。

6 結(jié)論
    本系統(tǒng)結(jié)合蓄電池生產(chǎn)的實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了蓄電池循環(huán)壽命參數(shù)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性，并結(jié)合PC機(jī)實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)和圖形化人機(jī)交互。還有測(cè)試系統(tǒng)精度好、數(shù)據(jù)記錄全、實(shí)現(xiàn)了高精度低成本的設(shè)計(jì)需求，可以很好的發(fā)展前景。