基于DSP的蓄电池容量性能测试仪的设计

储开斌，陈树越，何宝祥

(常州大学信息科学与工程学院，江苏 常州 213164)

蓄电池作为后备电源，已广泛地应用在计算机网络、通信、电子、电动车等领域。如果蓄电池失效或容量不足，就有可能造成重大事故[1]。同时随着电动汽车技术的发展，作为电动汽车核心部件之一的蓄电池也将有着更广的发展和应用前景。因此有必要对蓄电池的运行参数和性能进行全面的检测。

目前国内市场上现有的蓄电池性能检测设备绝大部分功能不完善，测量精度低。国外进口的蓄电池检测设备虽然功能全，但是价格昂贵，因此研制一款测量精度高、功能完善和性价比合理的蓄电池性能测试设备，对于电动汽车及大量使用蓄电池系统的领域有着重要的作用和意义。该蓄电池容量性能测试仪能实现对蓄电池的容量及性能进行检测，生成蓄电池的性能参数报告。借助该测试报告，可找出影响蓄电池使用性能的因素，为蓄电池的使用及蓄电池的性能改善、技术改进、维护提供科学依据，对延长蓄电池的使用寿命及续航能力有着重要的作用和意义。

1 系统测试原理

蓄电池容量性能测试仪主要用于蓄电池生产企业实验室或质监局抽检蓄电池的容量、寿命等参数，对精度要求非常高。蓄电池容量测试方法很多：有核对放电法、内阻测试法等。该测试采用公认精确度高的核对放电（AH）法测量。寿命测试采用循环充放电测试法，根据容量小于标准值的百分比来计算寿命。

系统主要包括充电模块、放电模块及系统控制等组成。充电模块含：恒压充电、恒压限流充电、恒流充电及恒流定时充电，放电模块含：恒流放电、恒功率放电及恒电阻放电等功能。测试时，根据蓄电池的类型及测试指标设置工作流程及参数。

容量测试，以恒流放电方式为例。先对蓄电池充满电，静置一段时间后，再对其进行放电，放电电流稳定在设定值。放电过程中每隔一分钟（时间可设定）采样一次电压和电流值，随着电池不断放电，电压逐渐下降，当电压下降到设定的放电下限电压值时，放电过程完成。此时，便可根据放电电流及放电时间计算该蓄电池的容量。并与标准值比较，判断其性能是否符合要求[2]。

寿命测试是通过循环充放电来实现。由于充电方式的不同对蓄电池寿命的影响较大，所以在测试时采用较成熟的三段式充电方式。首先对蓄电池进行恒流限压充电，当电压上升到一定值时，再转入恒压充电，当恒压充电的充电电流小于设置值时，转入涓流充电，直至充电完成。将蓄电池放置约十分钟左右，再对其进行放电。如此反复进行，直到检测到电池总容量小于设定值时，则蓄电池的寿命终了。通过充放电循环的次数、蓄电池的寿命及测试曲线、结果等相关信息来分析蓄电池的寿命。

2 系统硬件设计

系统由DSP控制模块、电压电流检测模块、充放电电流控制模块、时钟电路、上位机通信模块、液晶显示及打印驱动模块等组成。系统原理框图如图1所示。

图1 系统原理框图

2.1 DSP控制模块

为了满足电压及电流测试精度、实时数据处理、在线显示与报警、上位机通信及打印等功能等要求，微控制器采用TI公司推出的TMS320F2812定点32位DSP芯片。TMS320F2812工作频率达到150 MHz，具有强大的信号处理能力，又具有强大的事件管理器能力和嵌入式控制能力，能够实现复杂的控制算法。器件上集成了许多先进的外围设备，包括：JTAG边界扫描接口、时钟和系统控制电路、外围中断扩展模块、3个32位CPU定时器、两个异步通信接口SCI、串行外设接口SPI、增强型CAN总线、SPI模式的多通道缓冲串口McBSP、12位16通道A／D转换器、56个独立可编程的多路通用输入／输出(GPIO)引脚等[3]。TMS320F2812处理前级送来的电压电流信号，对蓄电池充放电电流精确控制。并根据测试参数计算容量，分析蓄电池性能，生成测试报表。

2.2 电压电流检测模块

电压电流采集模块由信号调理电路及模／数（A/D）转换电路组成，电路如图2所示。信号调理电路选用TI公司的OP07，电路结构采用差分式减法电路。该电路结构不仅可以抑制蓄电池本身的共模信号，而且可以抑制测试环境中的干扰信号，性能优越。

图2 电压电流检测电路

电压跟随器，作为放大电路与A/D转换器的中间隔离级，降低测量误差。A/D使用TMS320F2812内置12位A/D，不仅简化了系统设计复杂度，而且节省了仪器成本[4]。

2.3 充放电模块

充放电模块是系统的核心，用于充放电时对充放电电流进行精确控制。由D/A及三极管电路组成，电路如图3所示。

图3 充放电控制电路

TLV5618是两通道12位串行D/A转换器，一个通道控制放电电流，一个通道控制充电电流。充电电流控制电路由三极管T1～Tn组成。R1～Rn串联于三极管发射极，用于平衡并联三极管参数的差异性。二极管用于极性保护。当系统发出充电指令后，三极管导通，经市电整流滤波后的直流电源VCC通过三极管对蓄电池充电。取样电阻R0将充电电流转换成电压信号，经调理电路放大后送入A/D进行转换得到数字量，与设定的电流值进行比较，若比较结果不一致，则DSP输出一个误差信号经D/A转换后，送到三极管基极，控制基极电流，从而控制集电极的充电电流，通过对其大小进行调整，最终使充电电流与设定值达到一致。

放电电流控制电路与充电电流控制电路相似，由三极管T11～T1n组成放电。每路三极管的发射极串联一阻值为20 Ω的大功率电阻，作为放电回路的负载。放电电流也是由取样电阻R0检测，放电电流的大小由DSP经D/A控制三极管的基极电流来实现。但由于充电流与放电电流方向相反，所以在电流调理电路中，通过电子开关对电流信号实现极性转换，然后再送到A/D中。

该测试仪的充放电模块采用线性方案，以减小误差，结果更加真实。保证了蓄电池容量及寿命的测试精度。由于系统工作于线性状态，充放电电流较大，所以功率损耗大，在设计中加入散热装置，以保证系统安全稳定地工作。

2.4 时钟电路

对于蓄电池的寿命测量，需要经长时间多循环充放电才能实现。在循环充放电过程中，需要在充电及放电后静置一段时间，整个测试过程可能需要几天甚至十几天，测试中要记录充放电时间及循环次数等参数，这就要求系统有精确计时功能。系统采用专用DS12C887时钟芯片，作为数据采集、定时及实时控制提供精确地时间基准和同步信号[5]。

2.5 上位机通信模块

RS-485通信具有控制芯片成本低廉、技术成熟、支持半双工通信方式，只需采用2条平衡差分信号线就可以同时进行数的发送和接收，并支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络。该形式的网络可将所有设备并联挂接在两条通信总线上，极大地增强了网络组成的灵活性。从网络增加或移除一个设备时，只需将该设备从通信总线接入或断开，不会影响网络结构和其它设备的正常工作。为实现多个蓄电池容量性能测试仪网络化测试，系统与上位机采用RS-485通信接口，上位机软件可以同时对多台测试仪发送测试命令，同时回收多个仪器的测试数据实现较少的主控机的接口资源便可以管理尽可能多的设备。通过该接口实现多台仪器的组网及数据上传功能。

3 系统软件设计

软件的设计分DSP软件及上位机软件两部分。

3.1 DSP软件设计

系统工作时，DSP对各路电压、电流采样，并实时显示。同时，在测试过程中，控制充放电电流大小、充放电时间，记录测试过程中的电压与电流参数等功能。流程图如图4所示。系统先执行初始化程序；启动A/D，将各通道电压与电流数据读出；判断是否有上位机标志，处理上位机命令或传送数据至上位机；将各通道数据在液晶屏显示；再判断是否有按键按下，根据不同键值转相应子程序。图5为充放电电流闭环控制流程图。

图4 系统主流程图

图5 充放电电流控制流程图

3.2 上位机软件设计

测试仪具有单机及上位机联网工作两种方式。当测试仪与上位机相连时，上位机可直接发送测试命令，接收和处理测试数据。上位机软件采用VC++6.0开发完成，可以同时对多台测试仪进行网络控制，发送测试命令，设置系统参数、测试流程。同时采集多个测试仪的测试数据包括电压、电流、循环次数等，并保存。该系统对蓄电池测试时的界面及结果如图6所示。

图6 上位机软件及测试结果

4 结论

本测试仪实现了蓄电池的容量与寿命等指标的测试。测试精度高，稳定性及精度都符合国标对蓄电池性能测试的要求。为研究分析和评价蓄电池的性能进行全面的检测，具有较高的应用价值和市场前景。可广泛应用于各类动力电池、后备电池的质量检测，蓄电池售后、汽车4S店等对蓄电池质量检测服务，蓄电池配组指标检测以及电力、电信、交通等进行待测蓄电池容量寿命检测的应用场合。

[1]孙红辉，徐海波，綦海龙，等.智能蓄电池性能测试仪的研制[J].中国仪器仪表，2004（9）：18-20.

[2]RUDDELL A J，DUTTON A G，WENZL H.Analysis of battery current microcycles in autonomouss renewable energy systems[J].Journal of Power Source，2002，112：531-546.

[3]宋雨潭.DS12C887及其在智能化仪器仪表中的应用[J].黑龙江水专学报，2002(9)：87-89.

[4]MOSELY P T.Characteristic of a high-performence lead/acid battery for electric vehicles-an ALABC view[J].Journal of Power Source，1997，67：115-119.

[5]LUISA SORIA M，VALENCIANO J，OJEDA A.Development of ultra high power，valve-regulated lead-acid batteries for industrial applications[J].Journal of Power Source，2004，136：376-382.