一種蓄電池充放電效率測試系統(tǒng)的設計

孟彥京， 白　沖， 王素娥

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安　710021)

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一種蓄電池充放電效率測試系統(tǒng)的設計

孟彥京， 白沖， 王素娥

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安710021)

摘要：電池相當于一個轉移能量的攜帶體，那么它的充放電效率就顯得尤為重要.需要設計一款以DSP為控制芯片的電池充放電效率測試系統(tǒng)，主要通過控制不同的充放電方式，計算出電池充電消耗的電能和放電放出的電能，從而計算出充放電效率.并且用鉛酸電池進行了實驗，得出鉛酸電池在先恒流后恒壓充電，恒流放電的方式下，充放電效率在85%左右.

關鍵詞：蓄電池； 充放電； 效率測試

0引言

蓄電池廣泛應用于電力、交通、通信等行業(yè)，作為備用電源為直流負荷供電[1].它就相當于一個儲存和轉移能量的攜帶體，將發(fā)出來的電儲存起來，或者通過它將電網的電轉移到其他移動設備中[2].

因此，蓄電池的充放電效率，即就是蓄電池放出電能與充進去所消耗電能的比值，顯得尤為重要[3].

本文針對蓄電池的充放電過程，設計了一種可以測試蓄電池充放電效率的系統(tǒng)，可以實現不同電流、不同電壓的恒流恒壓兩階段充電，能夠完成蓄電池每個充電或者放電狀態(tài)電壓、電流的測試，以及一個完整的充放電循環(huán)過程中效率的測試.

1系統(tǒng)簡介

系統(tǒng)由DSP控制測試電路的切換，實現各參數的采集和計算，并通過鍵盤顯示模塊實現功能選擇和參數設置[4].檢測系統(tǒng)主要由充電回路、放電回路和控制單元組成，系統(tǒng)結構圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)結構圖

充電回路主要由整流單元、BUCK變換單元和信號采集單元組成.整流單元是將電網的交變電流整成直流電；BUCK變換單元是將整流出的直流電變換成可控制的電壓電流，以實現多種方式充電.采集單元主要采集BUCK電路的輸出電壓和電流,將其輸送到控制芯片中.

放電回路主要包括BOOST變換單元、采集單元和控制單元，BOOST主要實現放電時電壓電流的可控，采集單元將采集到的放電電壓和電流送到控制單元，從而更好地控制放電電壓和電流[5].控制單元是利用采集來的充電電壓電流或者放電電壓電流，一方面更好地控制充放電電流電壓，實現多種方式的充放電，另一方面是計算出充電時消耗的電能和放出的電能，從而計算出充放電效率[6].

2系統(tǒng)硬件設計

2.1　電池充電模塊

在電池的檢測過程中需要對電池進行多次充電，充電電路如圖2所示，主要包括變壓器、整流單元、BUCK單元和濾波單元.充電過程中，電網電流先經過變壓器，由于本文的設計指標是交流輸入電壓,范圍為220～240 V，功率為2 kW.所以本文選用功率為2 kW，變比為4∶1的工頻變壓器，故輸出的副邊電壓為50 V，電流為40 A.然后再經過VD1、VD2、VD3和VD4組成的單相全橋整流電路，將交流電整成不可控的直流電[7].

由于本文最終要實現對充電方式的可控，即要很好地控制電池輸入側的電流和電壓，所以在整流橋之后加了一個BUCK電路，從而實現對電壓和電流的可控.此設計中BUCK電路采用的是電感電流連續(xù)模式，主要是因為斷續(xù)模式輸出紋波增加，要滿足輸出電壓紋波低，就需要較大的電容，損耗也較大.另一方面，連續(xù)模式輸入電流的峰值近似等于輸出電流，但是斷續(xù)模式輸入電流的峰值近似輸出電流的一倍，加大了功率器件的定額.由于電力電子器件在開通和關斷過程中會產生過電壓和過電流，造成開關損耗.因此，最終給V加上了RCD緩沖電路，V開通時緩沖電容Cs先通過RS向V放電，使電流ic先上一個臺階，以后因為有di/dt抑制電路的Li，ic的上升速度減慢.在V關斷時，負載電流通過VDs向Cs分流，減輕了V的負擔，抑制了du/dt和過電壓.

圖2　充電電路

如果選擇充電功能，系統(tǒng)會提示進行充電方式的選擇，包括恒壓限流充電、恒流限壓充電、智能三段式充電、脈沖充電和充電方式組合，默認采用智能三段式充電方式；選擇充電方式后，系統(tǒng)會提示進行各種參數的設置，包括充電電壓、充電電流、終止電壓、終止電流、充電時間、充入容量;設置完參數后，對電池進行充電實驗,同時采集充電電壓、充電電流，記錄充電時間，然后根據公式(1)計算出充電所消耗的電能[8].

(1)

式(1)中：Q充為一個完整的充電過程所消耗的電能；u(τ)為某個時刻的充電電壓；i(τ)為某個時刻的充電電流.

2.2　電池放電模塊

電池的放電過程是一個恒流的過程,放電電路如圖3所示.

圖3　放電回路

如果選擇放電功能，系統(tǒng)會采用恒流放電方式；然后進行各種參數設置，包括放電電流、終止電壓、終止電流、放電時間、放電容量；設置完參數后，系統(tǒng)對電池進行放電實驗，同時采集充電電壓、充電電流，記錄充電時間，然后根據公式(2)計算出電池放出的電能.

(2)

式(2)中：Q放為一個完整的放電過程電池放出的電能；u(τ)為某個時刻的放電電壓；i(τ)為某個時刻的放電電流.

最后本文根據公式(3)就可計算出一個充放電周期電池的充放電效率為[9]:

(3)

式(3)中：η為充放電效率.

2.3　檢測模塊

在該系統(tǒng)設計中，電池的充放電電壓和電流的檢測也是非常關鍵的.其中，電流檢測單元如圖4所示，電壓檢測單元如圖5所示.

圖4　電流檢測單元

圖5　電壓檢測單元

電流檢測主要分為三路，分別是：BUCK電路的輸入電流、蓄電池的電流以及BOOST電路的輸出電流.經過霍爾電流傳感器采集到的電流經過一個同相跟隨器，主要是利用同相跟隨器輸入阻抗很大，輸出阻抗很小的特點，使得電路的前后級得到更好的隔離，然后后面兩個分別是一個二階壓控電壓源型濾波器和一個RC濾波器，主要是為了采集回來的直流電流諧波少，干擾少，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.為了控制最終輸入核心控制系統(tǒng)的電壓在0～3 V，本文在檢測回路的最后加了雙向限幅電路[10].

電壓檢測也主要分為三路，BUCK電路的輸入電壓、蓄電池的電壓以及BOOST電路的輸出電壓，其工作原理和電流檢測回路相似.

3系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)的控制核心采用TI公司新推出的一款浮點型數字信號處理器—TMS320F28335[11]，工作頻率可達150 MHz；內部包含18路PWM輸出端口，6路為高分辨率脈寬調制模塊(HRPWM)，本設計利用了2路HRPWM；16路高精度的12位數模轉換器(ADC)，轉換時間可達80 ns;本設計利用了6個ADC接口，分別檢測電池兩端的充放電電壓電流、BUCK變換器輸入端電壓電流和BOOST變換器輸出端電壓電流.其中，該最小系統(tǒng)是自行設計的，主要包括：JTAG下載接口、電源管理模塊、按鍵、OLED顯示以及DA輸出模塊等基本外設，功能較齊全，能滿足一般工程所需.系統(tǒng)的主流程圖如圖6所示.

圖6　系統(tǒng)主流程圖

3.1　充放電方式

在軟件設計方面，本文最先考慮的就是多種充電和放電方式的選擇，目前，本文設計的有恒流充電、恒壓充電以及它們相互組合的分段式充電，放電一般選擇恒流放電[12].

恒流充電就是電流維持恒定值的一種充電方式[13].一般用于蓄電池的初充電，運行中的蓄電池的容量檢查，運行中的牽引蓄電池的充電以及蓄電池極板的化成充電.此方式的優(yōu)點是可以根據蓄電池的容量確定充電電流值，直接計算充電量并確定充電完成的時間，以便于本文后面更好地計算充放電效率.

恒壓充電就是蓄電池兩極間的電壓維持在恒定值的充電，被廣泛應用于電信裝置、不間斷電源(UPS)等蓄電池的浮充電和涓流充電，其次，啟動型蓄電池在車輛運行時也處于近似的恒壓充電的情況.其優(yōu)點是隨著蓄電池的荷電狀態(tài)的變化，自動調整充電電流,如果規(guī)定的電壓恒定值適宜，就既能保證蓄電池的完全充電，又能盡量減少析氣和失水.一般為了縮短充電時間又防止過充，都采用先恒流后恒壓的兩段式充電[14].

恒流放電就是放電電流恒定的放電方式，一般為了防止過放對電池造成損害，在恒流放電末期都采用一段時間的恒壓放電.

3.2　充滿和放完的判斷條件

軟件設計的另一個難點就是對電池充滿和放完判斷條件的選擇.首先電池是否充滿直接影響著后面電池效率的計算；另外，電池若長期處于欠充狀態(tài)就有可能會出現不可逆的極板硫酸鹽化，造成電池的容量減小，壽命縮短[15].

該系統(tǒng)對于充電是否充滿的判斷條件是，按照一定充電率的電流進行充電，當電池兩端電壓達到某一值時，改為恒壓充電，然后判斷充電電流在某一個時間段內不再變化就認為充電結束.

放電，本文是根據放電終止電壓判斷的，當電池兩端的電壓降低到終止電壓時，放電結束，停止放電.

4實驗部分

4.1　實驗設計

本文實驗選用的是型號為36B20L的密封免維護鉛酸蓄電池.容量為36 Ah，電壓是12 V，一般常用于電動車.

充電電壓一般限制在13.8～14.2 V之間,充電電流在3.6～18 A之間.故本文選用先恒流后恒壓的兩段式充電，恒流充電的電流設置為3.6 A，當電壓上升到14.4 V時改用恒壓充電，此時充電電流開始下降，但下降的速率越來越慢，當電流在5 min內沒有變化時，認為充電結束，停止充電，計算充電所消耗的電能[16].

充電結束后，讓電池靜置1～2 h，然后開始放電實驗,本文選擇的是直接對電阻放電，放電電流是3.6 A.隨著放電的進行，電池兩端的電壓開始下降,剛開始電壓下降速率較快，逐漸減慢，當電池兩端電壓低于放電終止電壓10.8 V時，放電結束,停止放電.計算電池放出的電能.最后，計算出電池的效率.

4.2　實驗數據及分析

充電方式為先恒壓后恒流，放電方式為恒流，其中充電的恒流階段電流為3.6 A，放電電流為3.6 A的充放電方式，進行測試.

通過該測試系統(tǒng)測試某一次充電過程的充放電電壓及電流的變化曲線如圖7所示.從圖7中可以看出，由于剛開始是恒流充電，所以充電電流不變，當轉為恒壓充電的時候電流開始下降，剛開始下降速率比較快，當快充滿時電流又趨于平緩.電壓曲線，剛開始有一段上升的特別快，然后趨于平穩(wěn)，快進入恒壓時，電池的端電壓增加又開始加快，直到進入恒壓階段，電池電壓保持不變.從電池的內部結構可以知道，電池最開始沒有進入穩(wěn)定狀態(tài)，變化速率比較快，緊接著進入穩(wěn)態(tài)，變化趨于平緩，當快充滿時，速率又有些波動.和理論的充放電曲線接近.

圖7　充電電壓以及電流的變化曲線

本文按照實驗的先后順序，每20次完整的充放電循環(huán)為一組，算出平均充放電時間、平均消耗的電能、平均放出的電能以及平均充放電效率，得出的數據如表1所示.

表1　充放電效率測試數據表

根據表1可以看出隨著實驗的進行，電池不斷老化，充放電效率再不斷降低，即電池對電能的轉化效率在不斷降低.由于本文每次間隔是20次，可以看出在相同間隔次數里面，充放電效率剛開始下降的速率比較快，然后趨于平緩，后面又開始加快.充放電時間，以及充進去和放出來的能量也是這種趨勢[17].

從電池的內部結構來看，也是正常的，剛開始電池沒有進入穩(wěn)定時期，所以充放電效率下降的速率比較快，緊接著電池進入穩(wěn)態(tài)，充放電效率降低的速率減慢，最后快進入加速老化時期，所以充放電效率又加快降低.從總體上來看，雖然電池的充放電效率在逐步降低，但這一型號電池在徹底老化之前，它的充放電效率維持在85%左右.

5結論

該系統(tǒng)可以實現對不同電池充放電效率的測試，可以實現不同方式的充放電，并且可以人為設置充放電的電壓和電流，而且可以完全自動化，無人值守地對蓄電池進行充放電實驗.最后通過對36AH的鉛酸蓄電池進行近百次的實驗，得出鉛酸電池在先恒流后恒壓充電，恒流放電的充放電方式

下，蓄電池的充放電效率在85%左右.

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【責任編輯：陳佳】

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

中圖分類號：TM930

文獻標志碼：A

文章編號：1000-5811(2016)01-0154-05

作者簡介:孟彥京(1956-)，男，河北寧晉人，教授，研究方向：現代電力電子裝置、新能源、儲能

基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目(2013JK1065)

收稿日期:*2015-11-20