无人值守的小容量锂电池充放电单元设计

李显成, 王 猛, 邓 明, 金 胜, 罗贤虎

(1. 中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院, 北京 100083;2. 广州海洋地质调查局, 广东 广州 510075)



无人值守的小容量锂电池充放电单元设计

李显成1, 王 猛1, 邓 明1, 金 胜1, 罗贤虎2

(1. 中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院, 北京 100083;2. 广州海洋地质调查局, 广东 广州 510075)

实时采集电池的电压和放电电量,可以了解电池的放电曲线和容量,通过反复的充放电测试,可以评价电池的好坏。无人值守的小容量锂电池充放电单元以STM32F103为主控,整合其内部A/D,利用采样电阻实现了锂电池电压和放电电量的采集,通过三极管和二极管控制电路,实现了全自动的多次充放电状态切换。最后利用上位机脚本处理数据,实现了测试数据的保存与可视化。

地球物理仪器； 锂电池； 充放电单元

鉴于锂电池高的能量密度、低的噪声水平和优良的充放电性能,目前陆地和海洋地球物理仪器设备中越来越多地采用了锂电池供电[1]，现在绝大数的电子产品都需要锂电池来提供能量[2]。评判一款电子设备的续航时间除了跟它自身的功耗相关以外,还跟电池的容量和老化速度密切相关。随着科技的不断发展,传统的人工手动测试电池方法已经不能满足现代高速发展的产品的需求,往往在旧一代的产品还没做完整体测试,新一代的产品就要面市了。因此,作为产品研发的重要环节,手动的产品测试已经跟不上整体的产品研发节奏,自动化的测试已成为必然[3]。

传统的电池测试方法有的用到了昂贵的设备,比如电子负载、电池测试仪；有的只是对单一的性能指标进行测试,比如只测一次放电曲线,不进行电池老化测试[4-5]；有的是以表格的方式进行记录,比如测试的数据导入到Excel表格,整个系统费时、费力,而且获得的结果专业性太强、不直观,需要进行二次处理。

本文主要讲述了锂电池的充放电单元设计。操作人员设定好放电次数和放电电流后,通过模拟真实充放电环境,在无人值守的条件下,对锂电池输出电压进行采集,对锂电池充放电进行控制,对锂电池信息的处理得到锂电池的放电曲线和容量信息。整体测试自动化及可视化程度高。

1 充放电单元的总体设计

无人值守的小容量锂电池充放电单元主要由采集模块、控制模块和处理模块3个模块构成。

图1为无人值守的小容量锂电池充放电单元设计的系统框图。首先由采集模块采集锂电池信息,包括电流和电压信息,采集模块将采集到的信息分别发送给处理模块和控制模块；处理模块进行数据处理、保存和可视化；控制模块控制锂电池的充放电,对整个电路起把控作用。

2 采集模块

采集模块框图如图2所示。采集模块包括分压电路采集部分和放电电路采集部分。分压电路将电池电压分压至STM32内部A/D的采集范围内[6-8]。放电电路采集部分在负载与地之间串联一个高精度采样电阻,通过定时采集采样电阻的电压,实现锂电池的放电电量采集[9-10]。当然,如果A/D有差分输入功能,采样精度将有所提高[11-12]。分压电路采集到的电压信息被发送到处理模块和控制模块,放电电路采集到的电压信息被发送到处理模块。

图2 采集模块框图

3 控制模块

控制模块框图如图3所示。控制模块由控制电路和状态显示电路组成,控制电路由三极管和开关二极管组成开关电路,状态显示电路由工业字符型液晶显示屏1602和LED灯组成。当控制模块接收到采集模块的电压信息小于3 V时关闭放电电路,打开充电电路；当控制模块检测到充电IC发出的充满信号时关闭充电电路,打开放电电路。如此循环,当放电次数达到系统设定值时,关闭充电电路和放电电路。锂电池充电时LED灯渐亮,锂电池放电时LED灯渐灭。

图3 控制模块框图

4 处理模块

处理模块分为下位机处理部分和上位机处理部分,下位机主要是指以STM32单片机为控制核心的锂电池充放电单元电路,负责将电压信息转换成电量信息,并通过USB转串口发送给上位机。单片机上传的数据格式如下:

03day8hour37min!

1:3.52V,702maH,010s

2:3.92V,205maH,008s

通过定时采集锂电池电压和采样电阻的电压,由采样电阻换算出放电回路的放电电流。由锂电池容量单位mAh可知,锂电池放电容量与放电电流和放电时间成正比,由此得出每隔n秒采集一次信息的电量计算公式为

C=C前+3 600×1 000×V/(n×R)

式中，C代表当前放电电量值,C前代表前一次采集时放电电量值,V代表采样电阻上的电压,R代表采样电阻的阻值。最后得出的C单位是mAh。

下位机将锂电池电压和上式中的电量信息再加上各种状态信息以特定的格式发送到上位机。

上位机采用Matlab软件,利用脚本编程实现了上传数据的处理和保存[13-14]。其框架如图4实线部分所示。

图4 处理框图

上位机校验数据正确后,读取特定的数据位,将电量信息、电压信息、放电次数信息截取下来,判断电量信息,当电量信息达到5N+1(N为正整数)时,保存电压信息。当放电过程结束时,以电量C值为X轴,电压V值为Y轴绘制放电曲线图。最后用图像的形式将放电曲线和放电次数保存在电脑上。

5 测试结果

图5所示上位机保存的放电曲线,测试用的锂电池标称容量为800 mAh,电压为4.2 V,放电电流设置为200 mA。图5中“—LTest2-003”代表的是第2组锂电池的第3次放电曲线,“…LTest2-013”代表的

是第2组锂电池的第13次放电曲线。由图5可以看出,标称为800 mAh容量的锂电池,经过10次充放电以后,其容量已经由第3次的820 mAh下降到了第13次的805 mAh。测试得到的放电曲线符合规律,能够真实反映锂电池的容量和老化程度。

图5 锂电池放电曲线

经过10 d的反复测试,本系统能够实现全自动和无人值守的功能,最终得出的结果也比较直观、通俗易懂。该无人值守的小容量锂电池充放电单元可达到的技术指标见表1。

表1 技术指标

6 结论

锂电池作为优良的供电电源,其性能的优劣关乎整台仪器的运行是否稳定可靠。本文基于STM32单片机实现了无人值守的小容量锂电池充放电单元设计,利用单片机内部的A/D和精密采样电阻实现了锂电池输出电压和放电电量的采集；利用简单可靠的三极管和二极管开关控制电路实现了全自动的多次充放电状态控制；最终锂电池的测量数据通过上位机脚本处理函数得以存储和展示。

经过多天的连续运行测试,所研发的充放电单元性能稳定可靠,结果准确,可以达到小容量锂电池评价的目标。

References)

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Unattended small-capacity lithium batterycharge and discharge cell design

Li Xiancheng1, Wang Meng1, Deng Ming1, Jin Sheng1, Luo Xianhu2

(1. School of Geophyysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;2. Guangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou 510075, China)

With the increased frequency of charge and discharge, the capacity and discharge curve of lithium battery will be major changes. The real-time acquisition battery voltage and discharge capacity can help us understand the battery discharge curve and capacity, and that the battery is good or bad through repeatedly charging and discharging test. The unattended small capacity lithium battery charge and discharge cell with the master of STM32F103, consolidates its internal A/D by using sampling resistor to achieve the collection of lithium battery voltage and the discharge capacity. The automatic repeatedly switching charging and discharging state has been achieved through the transistor and diode control circuit. With the PC script, the data preservation and visualization have been realized.

geophysical instrument; lithium battery; charge and discharge cell

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.026

2016-02-14

国家863计划项目课题(2014AA06A603);地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室(中国地质大学, 北京)基本科研业务费项目(GDL1304)资助

李显成(1993—)，男，湖北汉川，学士，硕士研究生，主要从事测控技术与仪器研究

E-mail：156861160@qq.com

王猛(1984—)， 男，河南许昌，博士，讲师，主要从事测控技术与仪器教学和地球物理仪器研制工作.

E-mail：wangmeng@cugb.edu.cn

TM912

A

1002-4956(2016)11-0105-03