蓄電池循環(huán)壽命測試系統(tǒng)設計分析

喬登耀，林曉煥

（西安工程大學 電信學院，陜西 西安 710048）

蓄電池是人類研發(fā)出的性能優(yōu)異的儲能設備。風能和太陽能是大自然賜予我們永不枯竭的綠色能源，蓄電池于此結合后，會帶來巨大威力。發(fā)展電動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下關鍵。而每個廠家的產品質量不同，需要對電池的循環(huán)壽命進行檢測。本課題設計了基于TMS320F2812的DSP芯片為控制中心，由高性能的A/D轉換器TLC2543和D/A轉換器MAX538等構成的蓄電池循環(huán)壽命檢測系統(tǒng)。同時易于計算機相連，形成一個自動的檢測網絡

1 蓄電池的壽命檢測

電源的壽命包括使用壽命（電源在失效前經過多次的充放電過程中總共的可放電時間）、充放電壽命（電源失效前可重復放電的總次數(shù)）和儲存壽命（電池失效前在不工作的放置狀態(tài)下可儲存時間）3種，一般所說的化學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百分數(shù)來表示）以前所能夠承受的充放電循環(huán)次數(shù)。

蓄電池的循環(huán)壽命檢測按如下的流程進行：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。當電池的電壓達到充電電壓峰值時，恒流充電階段既告結束，電池進入恒壓充電階段。在恒壓充電階段中，充電電流將逐步減少，當減少到設定值時，表示電池充滿電荷，充電階段結束。在第5步檢測中，通過檢測放電電流和放電時間就可以檢測電池容量。

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)定在過充電區(qū)域內，而且在充電的工程中限制充電電流防止對蓄電池造成破換。充電開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，直至在某一點到達穩(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），到達規(guī)定值后電流降低，每傳輸一定電量需要的時間也跟著增加，導致需要較長時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，過充電非常小，能通過調節(jié)充電電壓和限流值來實現(xiàn)快慢速充電等特點，此時也存在充電末尾時間長，容易導致充電不足和容量降低，不能對電池組進行均衡充電，而浮充高規(guī)定流值進行快速充電時，充電后期會跟著電池老化而逐步增高，容易導致熱失控現(xiàn)象等缺點。

2.2 恒電流充電

恒電流充電方法通過利用恒定的電流源對電池進行充電來實現(xiàn)的。由于通常不對充電電壓進行控制，就此恒電流充電不受電池內單體電池電壓的影響，非常能實現(xiàn)均衡充電?？墒窃诔潆姷倪M行中充電電壓大量時間處于高壓狀態(tài)，較易產生析氣和板柵腐蝕。恒電流充電由于充電電流恒定，可以較好的測量和控制充電電量，而由于缺乏電壓控制，單純的恒流充電可能導致嚴重過充電，電池產生析氣，干涸，析柵腐蝕等問題，從而電池壽命縮短導致電池損壞。

2.3 分階段充電

分階段充電是當前使用最多的蓄電池充電方法，由于蓄電池在充電過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率比較高；用較大電流進行恒流充電方法，來使電池快速沖入電量，蓄電池的端電壓逐步增高，將到達規(guī)定電壓時電池內部反應比較劇烈，如果還以大電流就會導致析氣，因此變換為恒壓充電，在恒定的充電電壓下充電；當電池電流降低到較小的值時電池已經充進大部分電量，接著進入涓流充電階段，就此用小電流進行持續(xù)補足充電，來充入剩下的電量并持續(xù)補足電池的自放電引起的電量，以保證在結束充電前蓄電池的狀態(tài)為滿。

三階段式充電是結合恒壓恒流充電的特點，全面考慮充電的時間，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致充電不足而產生蓄電池過早失效，然而充電時間依舊很長，不能達到當今的要求。

3 系統(tǒng)硬件設計

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

這部分電路是整個控制系統(tǒng)的中心，主要包括TMS320F2812和 A/D電路轉換器 TLC2543、D/A轉換器MAX538電路。TLC2543是11通道的12位模數(shù)轉換器，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。在本系統(tǒng)中分別使用TLC2543的通道0和通道1構成對蓄電池的實時電壓和電流的采樣，采樣結果在LCD上顯示。TMS320F2812和TLC2543的鏈接電路如圖1所示。

圖1 TLC2543的接口電Fig.1 TLC2543 interface circuit

MAX538電路是12位的串行D/A轉換器，具有快速轉換轉、高精度、低功耗等優(yōu)點。它很合適電池檢測、電池供電測試儀器、計算機移動控制裝置、手機等領域。MAX538電路非常簡單，只需3條線與TMS320F2812的I/O相連就可以通信。如圖2所示。

圖2 TMS320F2812與MAX538的連線Fig.2 MAX538 connection to the TMS320F2812

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V+和V-之間接入待測蓄電池的正負極，當繼電器的K1雙擲開關合到上面時為充電狀態(tài)，反之為放電狀態(tài)。該電路能實現(xiàn)鋰電池的恒流充電和恒壓充電，及恒流放電。恒流電路主要由運算放大器A1和A2組成，其中A1級是差分放大電路，差分電路的輸入是從R22兩端反饋回來的電壓UR22=UI+--UI-=IR22其中 I是充電電流，輸出時 UAD0，只要調整 UAD1，UAD0將隨之改變，從而調整鋰電池充電電流I。參考電壓UAD1是由MAX538的輸出提供，通過改變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，在恒流充電過程中隨著電池電量的增加，電池電壓將會升高。恒壓電路由運算放大器A3和A4組成，其中A3級也是差分放大電路，其輸入是電池反饋回來的電壓UBATTERY=UV+--UV-選R13=R14=R15=R16，則經A3級差分放大后輸出UAD1=UBATTERY若給定1.2 V，則當電池恒流充電到電池電壓達到1.2 V時，電路轉為對電池進行恒壓充電。在恒壓充電過程中，隨著氫—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，當電流充電到設定值時，充電過程結束。

R19、Q1和D2構成充放開關電路，決定充放電回路是否導通。當輸入端CON2為1時，三極管Q1和二極管D2都導通，則三極管Q2基極被嵌在低電平，因此Q2不能導通，此時場效應管不工作，電池也就不能進行充放電。反之，則允許系統(tǒng)對電池放電。顯然，該電路具有保護作用，當充放電過程中電池的電壓和電流發(fā)生異常時，立即置CON2為1，切斷充放電過程。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)電阻采用精密電阻，且在每個運算放大器的正負電源與地之間都接入104的鉭電容，起去耦作用。

圖3 充放電電路Fig.3 Charging and discharging circuit

4 上位機監(jiān)測見面設計

充放電作為在線檢測系統(tǒng)的上位機部分，其主要任務是下位機檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計顯示、圖標生成與存儲功能。本設計將采用C++編程語言實現(xiàn)，具有較好的人機交互界面。

4.1 界面顯示功能

上位機界面主要顯示充電器在充放電進行中的原邊電流，電壓和充電電流，電壓，電池容量及溫度。每個顯示部分包括曲線圖形式表示隨時間的變化電壓（電流）幅值、容量變化值和以數(shù)字量表示的即時電壓（電流）幅值。其中曲線圖坐標設有改變橫坐標值箭頭，便于細化觀察值曲線變化。

4.2 存儲功能

系統(tǒng)存儲主要包括數(shù)據(jù)存儲和曲線圖像存儲。存儲方式分為自動存儲和手動存儲兩種。所有信息將存儲在一個隨系統(tǒng)程序運行時自動生成的文件夾內。

自動存儲：包括即時數(shù)據(jù)（電壓，電流，容量，充電狀態(tài)，時間）和充電狀態(tài)發(fā)生轉變前后的曲線圖形。

手動存儲：則是根據(jù)用戶需求，點擊界面上的存儲波形按鈕，存儲感興趣波形。

5 電池循環(huán)壽命的程序設計及測試分析

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系。通常來說，加大放電深度會降低蓄電池的循環(huán)壽命。在系統(tǒng)初始設計中，可以用這些實驗數(shù)據(jù)，來采用規(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，電極內部引起的應力增大，進而導致蓄電池壽命下降。還有該過程還涉及電極的機械膨脹和收縮、鋅電極的溶解問題及電化學問題。

圖4 系統(tǒng)軟件程序設計Fig.4 System software program design

圖5 鎳鋅電池的放電中點電壓與循環(huán)次數(shù)關系Fig.5 Discharge midpoint voltage and recycle number relationship

5.1.2 溫度的的因素

溫度也是影響循環(huán)壽命的一個重要因素，同時影響著蓄電池的各個方面。總體來說，鎳系列堿性電池在10～30攝氏度下性能最好。超出這個溫度的范圍，蓄電池的性能和循環(huán)壽命都將會降低。如果系統(tǒng)的設計和應用環(huán)境能保證電池工作在最合適的溫度范圍內，將會得到很好的性能和較長的循環(huán)壽命。

5.1.3 失效機理

先前的鎳鋅電池的失效機理包含鋅的遷移、鋅電極的變形、枝晶短路和纖維素基隔膜的水解。當今這些問題都已基本上獲得了解決。通過應用低溶解的鋅酸鈣電極技術，枝晶短路和變形問題實際得到了消除。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。

即使應用了地溶解度的鋅酸鈣電極，鋅電極在堿性電解質中仍還有一定的溶解度。鋅可以在電解質中生成復合鋅酸根離子，而后擴散到整個蓄電池中。一部分鋅酸根沉積在鎳電極的孔隙中，如此會影響鎳電極，更影響蓄電池的性能，而且這也可以產生電池容量逐漸下降的其中一個原因。

5.2 循環(huán)壽命測試

在100%深度放電情況下，鋅鎳電池循環(huán)壽命能達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、過充電量、濫用程度、環(huán)境溫度以及力學環(huán)境。在電池進行充放電循環(huán)時，蓄電池內部產生物理變化和劣化導致電池容量逐步下降。對于具體的電池設計，此種容量的逐漸下降屬于正常情況，并且能預見。系統(tǒng)的設計能在總體產品規(guī)格和設計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早期預示。

鋅鎳電池的但電池的電壓特性與循環(huán)壽命的關系如圖5所示，所示圖中給出了放電中點電壓與循環(huán)壽命的關系。放電中點電壓被定義為電池在放電時的帶負載電壓，放電中點是基于蓄電池的放電容量來確定。循環(huán)中電池應用100%深度放電，以C/2率（15 A）充放電。如在此加速測試條件下，蓄電池每天累計進行3次循環(huán)，然而在非常多數(shù)的應用中，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，電極慢慢產生劣化，因此導致電池電阻逐步增大。當電池可以承受所施加的放電電流時，電壓的衰減按呈現(xiàn)線行狀、可預測的。而一旦當電池不能承受這一電流時，也就沒法提“失效”。如果這時減小放電電流，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%的情況下測出來的。

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系，并且放電溫度、充電制度、擱置時間等都會對電容有影響。在同樣的放電制度下，不同的充電制度對電池的充放電效率不一致，因此電池的放電容量也會有區(qū)別。同樣，在相同的充電制度下，擱置10 min與擱置1 h再進行放電容量的測試，其結果也會有2%～5%的差別，具體視電池的自放電性能絕定。電池的壽命檢測時間較長，常用的循環(huán)壽命檢測設備都與上計算機相連。在檢測時可預先設定檢測的參數(shù)，通過計算機或檢測設備的控制面板發(fā)送參數(shù)至檢測設備。發(fā)送時保證參數(shù)的準確無誤。

6 結 論

本系統(tǒng)結合蓄電池生產的實際問題，實現(xiàn)了蓄電池循環(huán)壽命參數(shù)檢測的實時性，并結合PC機實現(xiàn)在線檢測和圖形化人機交互。還有測試系統(tǒng)精度好、數(shù)據(jù)記錄全、實現(xiàn)了高精度低成本的設計需求，可以很好的發(fā)展前景。

[1]郭炳焜，李新海，楊松青.化學電源[M].長沙：中南大學出版社，2009.

[2]王忠勇，陳恩慶.DSP原理與應用技術[M].長沙：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]康華光，陳大欽.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，1999.

[4]曾巍，唐海波，韓偉，等.電動汽車用動力電池性能檢測系統(tǒng)[J].電源技術，2001（2）：35－39.ZENG wei，TANG Hai-bo，HAN wei，et al.Detecting system of performance of power battery of electromobile[J].Technology of power supply，2001（2）：35－39.

[5]趙炎，王廣生.蓄電池電器在線檢測系統(tǒng)設計[J].電源技術，2010（1）74－76.ZHAO Yan，WANG Guang-sheng.Designing of on line detecting system of storage battery electrical equipment[J].Technology of Power Supply，2010（1）：74－76.

[6]郭怡倩，陸俊偉.MAX538在流量控制器中的應用[J].石油化工自動化，2003（2）56－57.GUO Yi-qian，LU Jun-wei.Usage of MAX538 in flow controller[J].Automation of petrochemical industry，2003（1）74－76.

[7]宋坤，劉銳宇，李偉明.VC++開發(fā)技術大全[M].北京 人民郵電出版社，2007.

[8]蘇奎峰，呂強，常天慶，等.TMS320X281X DSP原理及C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[9]邱剛，康小錄，喬彩霞.霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統(tǒng)研制[J].火箭推進，2012（3）:65－73.QIU Gang，KANG Xiao-lu，QIAO Cai-xia.Design of measurementand controlsystem forHallelectric propulsion longevity test bed[J].Journal of Rocket Propulsion，2012（3）:65－73.