范方川
(昌河飞机工业(集团)有限公司 江西景德镇 333002)
镍镉电池以寿命长、安全性高、可以大电流放电、耐过充放电、可低温工作等优点在工业领域、航空航天领域大量应用。但是镍镉电池也具有一些缺点,如自放电较大,具有记忆效应,电池的电压和容量非线性。因此镍镉电池的充电管理是一个比较复杂的难题,同时也很难通过检测电池的电压来判断电池的健康状况。
为解决上述问题,在充分理解应急出口灯和研究镍镉电池组电化学特性的基础上,提出并设计了一种应急出口灯充放电设备。
应急出口灯充放电设备为一独立的便携式电子设备,应满足部队外场、总装现场、实验室测试等应用环境。该设备既可以作为应急出口灯的专用测试设备,通过专用电缆连接应急出口灯,可同时对两件应急出口灯进行充放电操作,并可对应急出口灯的性能进行检查;也可以单独连接镍镉电池(组),对电池(组)单独进行参数测试、充放电操作等。
应急出口灯充放电设备的设计,应充分考虑人机功效、可靠性、维护性、操作简便性,方便操作人员使用。
①充电功能
◆涓流充电
涓流充电可以抵消电池组的自放电,随时保持电池组为满电状态。0.03 ItA~0.05 ItA
◆标准充电:60mA×16h。用户可自定义标准充电电流。
◆快速充电:300mA×2.4h。用户可自定义快速充电电流。
②放电功能。标准放电:120mA。放电终止电压:1.0V。用户可自定义放电电流。
③容量检测功能:实时显示电池容量,并能自定义充电终止容量及放电终止容量。
系统由可编程恒压恒流模块、可编程电子负载模块、可编程容量检测模块等构成。
可编程恒流恒压模块用于实现涓流充电、标准充电和快速充电功能;可编程电子负载用于实现放电功能;可编程容量检测模块配合电子负载模块实现容量检测功能。
可编程恒流恒压模块用于实现涓流充电、标准充电和快速充电功能。其设计参数为:
输入:直流48V DC
输出:电压0V-36V DC可编程,分辨率0.01V
电流0-5A DC可编程,分辨率0.01A
基准电压:2.5V
接口:RS485
其工作原理如图1所示。
图1 可编程恒流恒压模块原理框图
其核心为一个同步BUCK拓扑结构的DC-DC变换器,通过运算放大器构成电压/电流反馈环,电压/电流基准来自于CPU的DAC,因此通过改变DAC的输出电压即可改变变换器的输出电压/电流。CPU与外部通过RS485通信,通过RS485主控模块进行通信,接收主控模块的指令,根据主控模块的指令调整DC-DC的输出电压/电流,以适应不同的电池组电压和电流,标准充电和快速充电。
可编程电子负载模块的功能是实现对电池进行放电,以及配合容量测试模块对电池组的容量进行测试。
其工作原理为一个典型的恒流源。运放、NMOS管、三极管和采样电阻一同构成了一个恒流源,恒流源的恒流值受运放正极电压的控制。运放正极的电压来自于CPU内置DAC的输出,因此改变DAC的输出电压即可改变恒流源的恒流值。CPU与外部通过RS485通信,通过RS485主控模块进行通信,接收主控模块的指令,根据主控模块的指令调整恒流源的恒流值,以设置不同的放电电流大小。
本设备对电池容量的检测采用经典的电流对时间积分的方法,通过可编程电子负载模块对被测电池进行放电,同时检测电池的放电电流和端电压,通过对放电电流进行积分,通过电池端电压作为放电终止的条件,即可获得电池的容量。
因此可编程容量检测模块只需要实现对电池放电电流的测量和电池端电压的测量即可,其余功能由软件实现。其工作原理如图2所示。
图2 可编程电子负载模块原理框图
被测电池在进行容量检测前先充满电,检测容量时通过可编程电子负载进行放电。放电电流通过采样电阻进行采样,经运放调理后,送ADC:LTC2440进行AD转换;同时电池端电压经过电阻分压后,经运放调理后,也送ADC:LTC2440进行AD转换。CPU获得放电电流数据后,对时间进行积分,在此同时不断检测电池的端电压,当电池达到设定的端电压时,终止放电,那么此刻电流对时间的总积分即为电池容量。
CPU与外部通过RS485通信,通过RS485主控模块进行通信,接收主控模块的指令,根据主控模块的指令设置放电终止电压,控制容量检测模块的启停。
当对应急出口灯进行产品充放电或性能测试时,首先将专用电缆连接好,上电后,进行上位机主界面。点击应急出口灯充放电及测试界面的“进入”按钮,进入应急出口灯操作界面。
图3 应急出口灯测试操作界面示意
见图3,进入应急出口灯测试操作界面后,首先可以利用该测试界面对应急出口灯的功能进行测试:
◆模式开关按下“准备”按钮,并将应急出口灯供电使能开关按下“ON”,此时应急出口灯应处于充电状态,观察应急出口灯,应不亮;
◆再将应急出口灯供电使能开关按下“OFF”,此时应观察到应急出口灯立即燃亮;
◆将模式开关按下“检查”按钮,不管供电使能开关处于“ON” 还是“OFF”状态,都应观察到应急出口灯燃亮;
◆将模式开关按下“断开”按钮,应急出口灯应不亮。
同时,也可以利用该界面,对应急出口灯里的蓄电池进行有效充放电控制(模式开关按下“准备”按钮,供电使能开关处于“ON”)。图10所示,为用户通过右侧软键盘操作,选择了标准充电模式,点击确定后,会弹出左侧活动窗,用户可自定义充电电流。设置完成后,开始充电,此时,右下方充电实时显示窗口会实时直观显示充电电流、进度等。其他模式就不作一一介绍。
该应急出口灯充放电设备可以按用户要求,配置设备内部硬件模块,同时对两个应急出口灯进行测试、充放电。同时,上位机操作流程界面原理基本与上述操作一致。
单独对电池组进行充放电管理时,同样,从主界面点击镍镉电池组充放电界面“进入”按钮,进入电池组充放电界面。
图3所示,为用户通过右侧软键盘操作,选择了标准充电模式,点击确定后,会弹出左侧活动窗,用户可自定义充电电流。设置完成后,开始充电,此时,右下方充电实时显示窗口会实时直观显示充电电流、进度等。其他模式就不作一一介绍。