一种蓄电池充放电效率测试系统的设计

孟彦京， 白　冲， 王素娥

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安　710021)



一种蓄电池充放电效率测试系统的设计

孟彦京， 白冲， 王素娥

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安710021)

摘要：电池相当于一个转移能量的携带体，那么它的充放电效率就显得尤为重要.需要设计一款以DSP为控制芯片的电池充放电效率测试系统，主要通过控制不同的充放电方式，计算出电池充电消耗的电能和放电放出的电能，从而计算出充放电效率.并且用铅酸电池进行了实验，得出铅酸电池在先恒流后恒压充电，恒流放电的方式下，充放电效率在85%左右.

关键词：蓄电池； 充放电； 效率测试

0引言

蓄电池广泛应用于电力、交通、通信等行业，作为备用电源为直流负荷供电[1].它就相当于一个储存和转移能量的携带体，将发出来的电储存起来，或者通过它将电网的电转移到其他移动设备中[2].

因此，蓄电池的充放电效率，即就是蓄电池放出电能与充进去所消耗电能的比值，显得尤为重要[3].

本文针对蓄电池的充放电过程，设计了一种可以测试蓄电池充放电效率的系统，可以实现不同电流、不同电压的恒流恒压两阶段充电，能够完成蓄电池每个充电或者放电状态电压、电流的测试，以及一个完整的充放电循环过程中效率的测试.

1系统简介

系统由DSP控制测试电路的切换，实现各参数的采集和计算，并通过键盘显示模块实现功能选择和参数设置[4].检测系统主要由充电回路、放电回路和控制单元组成，系统结构图如图1所示.

图1　系统结构图

充电回路主要由整流单元、BUCK变换单元和信号采集单元组成.整流单元是将电网的交变电流整成直流电；BUCK变换单元是将整流出的直流电变换成可控制的电压电流，以实现多种方式充电.采集单元主要采集BUCK电路的输出电压和电流,将其输送到控制芯片中.

放电回路主要包括BOOST变换单元、采集单元和控制单元，BOOST主要实现放电时电压电流的可控，采集单元将采集到的放电电压和电流送到控制单元，从而更好地控制放电电压和电流[5].控制单元是利用采集来的充电电压电流或者放电电压电流，一方面更好地控制充放电电流电压，实现多种方式的充放电，另一方面是计算出充电时消耗的电能和放出的电能，从而计算出充放电效率[6].

2系统硬件设计

2.1　电池充电模块

在电池的检测过程中需要对电池进行多次充电，充电电路如图2所示，主要包括变压器、整流单元、BUCK单元和滤波单元.充电过程中，电网电流先经过变压器，由于本文的设计指标是交流输入电压,范围为220～240 V，功率为2 kW.所以本文选用功率为2 kW，变比为4∶1的工频变压器，故输出的副边电压为50 V，电流为40 A.然后再经过VD1、VD2、VD3和VD4组成的单相全桥整流电路，将交流电整成不可控的直流电[7].

由于本文最终要实现对充电方式的可控，即要很好地控制电池输入侧的电流和电压，所以在整流桥之后加了一个BUCK电路，从而实现对电压和电流的可控.此设计中BUCK电路采用的是电感电流连续模式，主要是因为断续模式输出纹波增加，要满足输出电压纹波低，就需要较大的电容，损耗也较大.另一方面，连续模式输入电流的峰值近似等于输出电流，但是断续模式输入电流的峰值近似输出电流的一倍，加大了功率器件的定额.由于电力电子器件在开通和关断过程中会产生过电压和过电流，造成开关损耗.因此，最终给V加上了RCD缓冲电路，V开通时缓冲电容Cs先通过RS向V放电，使电流ic先上一个台阶，以后因为有di/dt抑制电路的Li，ic的上升速度减慢.在V关断时，负载电流通过VDs向Cs分流，减轻了V的负担，抑制了du/dt和过电压.

图2　充电电路

如果选择充电功能，系统会提示进行充电方式的选择，包括恒压限流充电、恒流限压充电、智能三段式充电、脉冲充电和充电方式组合，默认采用智能三段式充电方式；选择充电方式后，系统会提示进行各种参数的设置，包括充电电压、充电电流、终止电压、终止电流、充电时间、充入容量;设置完参数后，对电池进行充电实验,同时采集充电电压、充电电流，记录充电时间，然后根据公式(1)计算出充电所消耗的电能[8].

(1)

式(1)中：Q充为一个完整的充电过程所消耗的电能；u(τ)为某个时刻的充电电压；i(τ)为某个时刻的充电电流.

2.2　电池放电模块

电池的放电过程是一个恒流的过程,放电电路如图3所示.

图3　放电回路

如果选择放电功能，系统会采用恒流放电方式；然后进行各种参数设置，包括放电电流、终止电压、终止电流、放电时间、放电容量；设置完参数后，系统对电池进行放电实验，同时采集充电电压、充电电流，记录充电时间，然后根据公式(2)计算出电池放出的电能.

(2)

式(2)中：Q放为一个完整的放电过程电池放出的电能；u(τ)为某个时刻的放电电压；i(τ)为某个时刻的放电电流.

最后本文根据公式(3)就可计算出一个充放电周期电池的充放电效率为[9]:

(3)

式(3)中：η为充放电效率.

2.3　检测模块

在该系统设计中，电池的充放电电压和电流的检测也是非常关键的.其中，电流检测单元如图4所示，电压检测单元如图5所示.

图4　电流检测单元

图5　电压检测单元

电流检测主要分为三路，分别是：BUCK电路的输入电流、蓄电池的电流以及BOOST电路的输出电流.经过霍尔电流传感器采集到的电流经过一个同相跟随器，主要是利用同相跟随器输入阻抗很大，输出阻抗很小的特点，使得电路的前后级得到更好的隔离，然后后面两个分别是一个二阶压控电压源型滤波器和一个RC滤波器，主要是为了采集回来的直流电流谐波少，干扰少，以提高系统的稳定性.为了控制最终输入核心控制系统的电压在0～3 V，本文在检测回路的最后加了双向限幅电路[10].

电压检测也主要分为三路，BUCK电路的输入电压、蓄电池的电压以及BOOST电路的输出电压，其工作原理和电流检测回路相似.

3系统软件设计

本系统的控制核心采用TI公司新推出的一款浮点型数字信号处理器—TMS320F28335[11]，工作频率可达150 MHz；内部包含18路PWM输出端口，6路为高分辨率脉宽调制模块(HRPWM)，本设计利用了2路HRPWM；16路高精度的12位数模转换器(ADC)，转换时间可达80 ns;本设计利用了6个ADC接口，分别检测电池两端的充放电电压电流、BUCK变换器输入端电压电流和BOOST变换器输出端电压电流.其中，该最小系统是自行设计的，主要包括：JTAG下载接口、电源管理模块、按键、OLED显示以及DA输出模块等基本外设，功能较齐全，能满足一般工程所需.系统的主流程图如图6所示.

图6　系统主流程图

3.1　充放电方式

在软件设计方面，本文最先考虑的就是多种充电和放电方式的选择，目前，本文设计的有恒流充电、恒压充电以及它们相互组合的分段式充电，放电一般选择恒流放电[12].

恒流充电就是电流维持恒定值的一种充电方式[13].一般用于蓄电池的初充电，运行中的蓄电池的容量检查，运行中的牵引蓄电池的充电以及蓄电池极板的化成充电.此方式的优点是可以根据蓄电池的容量确定充电电流值，直接计算充电量并确定充电完成的时间，以便于本文后面更好地计算充放电效率.

恒压充电就是蓄电池两极间的电压维持在恒定值的充电，被广泛应用于电信装置、不间断电源(UPS)等蓄电池的浮充电和涓流充电，其次，启动型蓄电池在车辆运行时也处于近似的恒压充电的情况.其优点是随着蓄电池的荷电状态的变化，自动调整充电电流,如果规定的电压恒定值适宜，就既能保证蓄电池的完全充电，又能尽量减少析气和失水.一般为了缩短充电时间又防止过充，都采用先恒流后恒压的两段式充电[14].

恒流放电就是放电电流恒定的放电方式，一般为了防止过放对电池造成损害，在恒流放电末期都采用一段时间的恒压放电.

3.2　充满和放完的判断条件

软件设计的另一个难点就是对电池充满和放完判断条件的选择.首先电池是否充满直接影响着后面电池效率的计算；另外，电池若长期处于欠充状态就有可能会出现不可逆的极板硫酸盐化，造成电池的容量减小，寿命缩短[15].

该系统对于充电是否充满的判断条件是，按照一定充电率的电流进行充电，当电池两端电压达到某一值时，改为恒压充电，然后判断充电电流在某一个时间段内不再变化就认为充电结束.

放电，本文是根据放电终止电压判断的，当电池两端的电压降低到终止电压时，放电结束，停止放电.

4实验部分

4.1　实验设计

本文实验选用的是型号为36B20L的密封免维护铅酸蓄电池.容量为36 Ah，电压是12 V，一般常用于电动车.

充电电压一般限制在13.8～14.2 V之间,充电电流在3.6～18 A之间.故本文选用先恒流后恒压的两段式充电，恒流充电的电流设置为3.6 A，当电压上升到14.4 V时改用恒压充电，此时充电电流开始下降，但下降的速率越来越慢，当电流在5 min内没有变化时，认为充电结束，停止充电，计算充电所消耗的电能[16].

充电结束后，让电池静置1～2 h，然后开始放电实验,本文选择的是直接对电阻放电，放电电流是3.6 A.随着放电的进行，电池两端的电压开始下降,刚开始电压下降速率较快，逐渐减慢，当电池两端电压低于放电终止电压10.8 V时，放电结束,停止放电.计算电池放出的电能.最后，计算出电池的效率.

4.2　实验数据及分析

充电方式为先恒压后恒流，放电方式为恒流，其中充电的恒流阶段电流为3.6 A，放电电流为3.6 A的充放电方式，进行测试.

通过该测试系统测试某一次充电过程的充放电电压及电流的变化曲线如图7所示.从图7中可以看出，由于刚开始是恒流充电，所以充电电流不变，当转为恒压充电的时候电流开始下降，刚开始下降速率比较快，当快充满时电流又趋于平缓.电压曲线，刚开始有一段上升的特别快，然后趋于平稳，快进入恒压时，电池的端电压增加又开始加快，直到进入恒压阶段，电池电压保持不变.从电池的内部结构可以知道，电池最开始没有进入稳定状态，变化速率比较快，紧接着进入稳态，变化趋于平缓，当快充满时，速率又有些波动.和理论的充放电曲线接近.

图7　充电电压以及电流的变化曲线

本文按照实验的先后顺序，每20次完整的充放电循环为一组，算出平均充放电时间、平均消耗的电能、平均放出的电能以及平均充放电效率，得出的数据如表1所示.

表1　充放电效率测试数据表

根据表1可以看出随着实验的进行，电池不断老化，充放电效率再不断降低，即电池对电能的转化效率在不断降低.由于本文每次间隔是20次，可以看出在相同间隔次数里面，充放电效率刚开始下降的速率比较快，然后趋于平缓，后面又开始加快.充放电时间，以及充进去和放出来的能量也是这种趋势[17].

从电池的内部结构来看，也是正常的，刚开始电池没有进入稳定时期，所以充放电效率下降的速率比较快，紧接着电池进入稳态，充放电效率降低的速率减慢，最后快进入加速老化时期，所以充放电效率又加快降低.从总体上来看，虽然电池的充放电效率在逐步降低，但这一型号电池在彻底老化之前，它的充放电效率维持在85%左右.

5结论

该系统可以实现对不同电池充放电效率的测试，可以实现不同方式的充放电，并且可以人为设置充放电的电压和电流，而且可以完全自动化，无人值守地对蓄电池进行充放电实验.最后通过对36AH的铅酸蓄电池进行近百次的实验，得出铅酸电池在先恒流后恒压充电，恒流放电的充放电方式

下，蓄电池的充放电效率在85%左右.

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【责任编辑：陈佳】

Design of a battery charge and discharge efficiency test system

MENG Yan-jing， BAI Chong， WANG Su-e

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China)

Abstract:Battery is equivalent to a transfer of energy to carry body,then the charging and discharging efficiency is particularly important.In this paper,the design is a DSP chip to control the battery charging and discharging efficiency test system,mainly through different charging and discharging control,calculate the charge the battery release electric energy consumption and discharge of electric energy,to calculate the charge discharge efficiency.And experiments were carried out using lead-acid batteries,that lead-acid batteries prior constant current constant voltage charging,constant current discharge and charge discharge efficiency in about 85%.

Key words:battery; charge discharge control; efficiency test

中图分类号：TM930

文献标志码：A

文章编号：1000-5811(2016)01-0154-05

作者简介:孟彦京(1956-)，男，河北宁晋人，教授，研究方向：现代电力电子装置、新能源、储能

基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(2013JK1065)

收稿日期:*2015-11-20