一種鉆井平臺通用程控鋰電池充電設(shè)備的研發(fā)

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(1. 中海油田服務(wù)有限公司，河北 燕郊 065201；2. 昆明船舶設(shè)備研究試驗中心，云南 昆明 650051)

0 引言

海上石油鉆井平臺作為各類設(shè)備集成綜合體，設(shè)備供電方式種類繁多，其中鋰離子電池因具有能量密度高、循環(huán)壽命長、放電電壓高及無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于平臺便攜式裝置、備用及水下設(shè)備等。但由于鋰離子電池相對脆弱的特性，不能過壓充電，加上平臺各類鋰電池設(shè)備充電參數(shù)也存在差異，導(dǎo)致充電設(shè)備專用性太強(qiáng)，在資產(chǎn)管理和設(shè)備應(yīng)用上不便利，在此環(huán)境下開發(fā)一款充電量程寬及程控可調(diào)的平臺通用鋰離子電池充電設(shè)備，以便于設(shè)備管理，提高平臺設(shè)備使用效率。

1 整體方案

根據(jù)鋰離子電池測試使用規(guī)范，對鋰離子電池進(jìn)行充電時，首先進(jìn)行恒流充電，待電池電壓到達(dá)充電電壓上限后轉(zhuǎn)為恒壓充電，才能將電池充至滿電狀態(tài)(大約有70%～80%甚至更多電能是靠恒流充電充入的)。因此當(dāng)電池處于欠壓狀態(tài)時，首先應(yīng)對其施加恒流測量電壓(FIMV)的充電，此時充電電壓將逐漸增加，當(dāng)電壓增加到電池額定充電電壓時，需自動切換至施加恒壓測量電流(FVMI)的充電，此時充電電流將逐漸減小，當(dāng)充電電流減小到mA級時，可切斷充電輸出，完成充電過程。整個充電過程中，充電設(shè)備應(yīng)能自動選取相應(yīng)檔位。為考察電池儲電量是否滿足使用要求，還需要實時測量和記錄充電電壓和電流參數(shù)，并具備事后回放分析功能。

圖1所示為充電設(shè)備系統(tǒng)工作框圖，包括充電設(shè)備和負(fù)載兩部分。充電設(shè)備包括上位機(jī)和充電單元，用于充電模式的預(yù)設(shè)、充電狀態(tài)的監(jiān)控和切換、充電參數(shù)的接收、存儲、處理、顯示與回放，充電單元是功率輸出裝置，負(fù)責(zé)按預(yù)設(shè)參數(shù)輸出電流或電壓，同時對電壓和電流參數(shù)具備采樣功能，上位機(jī)和充電器通過串行總線進(jìn)行通信。負(fù)載為待充電的鋰離子電芯或電池組，將其正負(fù)極連接至充電單元輸出端實現(xiàn)電能的輸入。

圖1 系統(tǒng)工作框圖

2 充電單元硬件設(shè)計

2.1 基于Kelvin連接方法的參數(shù)測量技術(shù)

傳統(tǒng)直流參數(shù)測量功能的實現(xiàn)是通過多個運算放大器或者運算放大器與儀器放大器搭配使用，可以做到加恒壓測電流(FVMI)和加恒流測電壓(FIMV)的功能。但在實際的充電中，這樣的傳統(tǒng)電路設(shè)計并不能滿足其精度要求。電阻的基本公式為：

R=ρL/S

(1)

普通的印制電路板上的通路電阻率ρ很小，通路長度L也較短，所以盡管通路的橫截面積S很小，根據(jù)電阻式(1)計算下來，整體的通路電阻非常小，通常阻抗典型值為0.25 Ω至0.55 Ω，而印制板電路中的各種器件遠(yuǎn)大于這個典型值，因而在設(shè)計時常常忽略因傳輸線、通孔等引起的阻抗所造成的誤差。在工業(yè)用鋰電池充電過程中，充電單元通常需要和壓接端子、功率接插件進(jìn)行遠(yuǎn)程連接。連接通路長度L動輒數(shù)米甚至更遠(yuǎn)，不僅如此，通路經(jīng)過的各種連接器、過孔都會提高整個系統(tǒng)傳輸路徑的阻抗，使得整個路徑阻抗可以達(dá)到數(shù)歐姆。鋰離子電池充電要求充電設(shè)備能夠在大電流、小負(fù)載的情況下進(jìn)行精確測試。本充電設(shè)備要求能夠進(jìn)行4 A電流檔位的精確測量，根據(jù)輸出最大35 V電平，可以估算出負(fù)載在8.75 Ω左右，因此整個參數(shù)測試單元必須添加精確測試電路以較少因為PCB制造所引起的測試誤差[1]。

針對這種情況，引入開爾文(Kelvin)連接法以提高在大電流、小電阻情況的測試精度?！伴_爾文”連接法定義如下：在模擬量測控線路的導(dǎo)線連接工藝中，對于每個被測或被控點都可視為“開接點”。從任何一個“開接點”的根部分別引出兩條導(dǎo)線，一條導(dǎo)線是施加大電流的驅(qū)動線F 線，導(dǎo)線的截面積要足夠大以便于提供足夠的電流驅(qū)動；另一條是測量(取樣)“開接點”電位的檢測線S線[2]。這兩條導(dǎo)線統(tǒng)稱為“雙連線”。被測控的“開接點”經(jīng)“雙連線”可遠(yuǎn)距離連接到與之相對應(yīng)的具有“雙連線”的測控部件上。對任何一個被測控對象，測量檢測的取樣點是兩個“開接點”間的電位差，舍棄驅(qū)動線上的數(shù)據(jù)不用(因誤差較大)，僅以檢測線上的數(shù)據(jù)作為取樣值，則必然提高測量精度。以此種理論為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的連接工藝方法就是“開爾文”連接法。

圖2 充電單元的“開爾文”連接

2.2 FIMV和FVMI充電

電池直流充電的基本方法分為兩種：加電壓測對應(yīng)的電流(FVMI)和加電流測對應(yīng)的電壓(FIMV)。對應(yīng)的兩種電路結(jié)構(gòu)：FVMI結(jié)構(gòu)和FIMV結(jié)構(gòu)。FVMI結(jié)構(gòu)的基本原理圖如圖3a所示，主要包括了一個程控源主要由數(shù)字轉(zhuǎn)模擬信號芯片和各種電阻、電容組成；一個精密充電電路主要由多個運算放大器和采樣電阻等構(gòu)成，特別要指出的中間的三個運算放大器構(gòu)成了一個等效的儀器放大器，因此可以采用同規(guī)格的儀器放大器替代；最后是采樣電路主要由模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號芯片構(gòu)成[4]。

圖3 直流充電測量單元

儀器放大器具備公式(2)的特性，其中Gain由芯片自身參數(shù)以及外接電阻決定。

Vout=Gain×(V+-V-)

(2)

V+和V-為儀器放大器正負(fù)端的電平，Vout為儀器放大器輸出端的電平?；谶@樣的特性，可以很輕易的通過模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號芯片求出輸出給待測芯片的電流。這里假設(shè)由模擬轉(zhuǎn)數(shù)字信號芯片采得的電壓為VADC，則實際采樣電流CI的計算公式如下[5]：

Iforce=VADC/(Gain×CR)

(3)

FIMV結(jié)構(gòu)與FVMI結(jié)構(gòu)的基本原理類似，如圖3b所示。主要是在精密測量電路方面做了細(xì)微改動，通過將程控源輸入至之前FVMI結(jié)構(gòu)中的采樣端位置，成功實現(xiàn)了電流的輸入。同時將采樣端移至FVMI結(jié)構(gòu)的輸出端，就可以準(zhǔn)確測量電池的充電電壓。這里假設(shè)采用的儀器放大器為ADI(模擬儀器)公司的AD8220，其增益公式為：

Gain=49.4 k Ω/RG+1

(4)

結(jié)合AD8220的增益公式，算出輸出電流為：

Iforce=VADC/[(49.4 k Ω/RG+1)×CR]

(5)

為避免電池組串充導(dǎo)致部分單體電壓超過單電芯上限電壓，需設(shè)置若干比較器，將每只電芯充電電壓與預(yù)設(shè)上限電壓進(jìn)行比較，若任意一只電芯充電電壓大于預(yù)設(shè)電壓，充電設(shè)備自動切斷輸出，并對滿電狀態(tài)進(jìn)行提示。

2.3 元器件選型

根據(jù)充電單元的技術(shù)指標(biāo)(能夠在4 000 mA，800 mA，400 mA，80 mA和40 mA等5個檔位自動切換實現(xiàn)充電，電流偏差不超過±1%，同時輸出電壓至少在±35V之間)，電流偏差不超過±1%，兼顧采樣電阻和儀表放大器誤差，輸出和采樣精度達(dá)到10位即可滿足要求?？紤]到由于制造工藝和使用環(huán)境等方面的問題，通常ADC和DAC芯片的最低一到兩位會隨工作環(huán)境的變化而出現(xiàn)偏差。為了保證整個系統(tǒng)測試精度的準(zhǔn)確性，充電單元DAC和ADC芯片的精度要求需為12位。根據(jù)設(shè)計要求，充電單元必須能夠在4 000 mA，800 mA，400 mA，80 mA和40 mA這5個檔位自動切換實現(xiàn)電流監(jiān)測，結(jié)合DAC程控源驅(qū)動功率運放最大可以達(dá)到±35 V的條件，同時應(yīng)保證采樣精度，采樣電阻壓降控制在±0.5 V左右，計算出理論上需要的采樣電阻為0.125 Ω，0.625 Ω，1.25 Ω，6.25 Ω和12.5 Ω這5個檔位。根據(jù)市場能訂購的電阻阻值，實際采樣電阻檔位為0.11 Ω，0.51 Ω，1.1 Ω，5.1 Ω和12 Ω。

(1)研究區(qū)含礦層位羅安群RSF和RSC中發(fā)育的硅質(zhì)巖SiO2平均含量為82.12×10-2，F(xiàn)e-Mn-Al和SiO2/Al2O3 - Al2O3判別圖解表明硅質(zhì)巖為非純熱水沉積成因，沉積時有陸源碎屑沉積物混入。

根據(jù)輸出電壓范圍、電流驅(qū)動要求，選用TI公司生產(chǎn)的高電壓、高電流運算放大器OPA544作為程控源的后級驅(qū)動。OPA544最大能提供4 A的輸出電流，寬電平提供范圍：±10 V至±35 V，其安全工作模式下提供的電流也有1.5 A，完全滿足電流驅(qū)動和電平輸出的要求[6]。

采樣電阻電壓取樣采用AD公司的低噪聲儀表放大芯片AD8220，該芯片擅長測量微小信號，具有高共模抑制比(CMRR)，可防止干擾信號破壞數(shù)據(jù)采集。AD8220能夠可靠地放大被測信號，具有出色的失真性能，能夠應(yīng)用在對微弱信號調(diào)理有要求苛刻的儀器中[7]。

3 程控軟件開發(fā)

3.1 串行數(shù)據(jù)收發(fā)

上位機(jī)軟件基于VISA結(jié)構(gòu)采用LabVIEW圖形化編程語言開發(fā)，VISA作為測試程序和數(shù)據(jù)傳輸總線的中間層,為應(yīng)用程序和儀器總線的通信建立了通道。VISA I/O庫為應(yīng)用程序的建立提供了一致的接口,因而應(yīng)用程序不需要關(guān)心實際的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)是GPIB電纜還是串口線,可以認(rèn)為在VISA庫中包含了與各種接口進(jìn)行連接所需的程序。

圖4 基于VISA庫的串口數(shù)據(jù)接收程序圖

圖4為基于VISA庫的串口數(shù)據(jù)接收程序圖。首先需要調(diào)用VISA Configure Serial Port完成串口參數(shù)的設(shè)置,包括串口資源分配、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位和流控等。在接收數(shù)據(jù)之前需要使用Bytes at Port查詢當(dāng)前串口接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù),并將此參數(shù)賦給VISA Read，作為要讀取的字節(jié)數(shù)。VISA Read操作將一直等待,直至Time out。當(dāng)然也可以分批讀取接收緩沖區(qū)或者只從中讀取一定字節(jié)的數(shù)據(jù)。在某些特殊情況下,需要設(shè)置串口接收/發(fā)送緩沖區(qū)的大小,此時可以使用VISA Set I/O Buffer Size;而使用VISA Flush I/O Buffer則可以清空接收與發(fā)送緩沖區(qū)。在串口使用結(jié)束后,使用VISA Close結(jié)束與VISA Source Name指定的串口之間的會話。

3.2 數(shù)據(jù)的保存、顯示與回放

當(dāng)充電功能開啟后，“打開/創(chuàng)建/替換文件”函數(shù)將在“..充電數(shù)據(jù)”文件夾下創(chuàng)建一個新文本文件，按照創(chuàng)建時間“年-月-日-時-分-秒”的規(guī)則對文件進(jìn)行命名，從文件名即可獲知充電的時間信息，大大方便了數(shù)據(jù)文件的管理維護(hù)。接收到的數(shù)據(jù)按預(yù)定格式解析出電壓和電流數(shù)據(jù)后，與文件路徑參數(shù)一同傳遞至“寫入文本文件”函數(shù)的數(shù)據(jù)輸入端，從而完成數(shù)據(jù)信息寫入文件的操作。同時，可將電流和電壓數(shù)據(jù)實時顯示在Waveform Graph VI圖表中。

充電完成或被人為終止時，“關(guān)閉文件”函數(shù)將確保被寫入文件的正常關(guān)閉?？衫谩白x取文本文件”函數(shù)實現(xiàn)從字節(jié)流文件中讀取指定數(shù)目的字符或行，實現(xiàn)充電電壓和電流歷史數(shù)據(jù)的回放分析。

4 充電設(shè)備試驗驗證

4.1 單只電芯充電試驗

選擇海上石油鉆井平臺使用較多的方形磷酸鐵鋰電池(型號為LSH15-H106LB)作為充電試驗負(fù)載。電芯規(guī)格為：標(biāo)準(zhǔn)充電電壓3.65 V，充電電流不大于5 A，電池容量10 000 mAh。首先使用電子負(fù)載對電池進(jìn)行放電操作，將電池與充電設(shè)備連接，設(shè)置電芯充電參數(shù)為：FIMV充電電流2 000 mA，限制電壓為3.6 V，F(xiàn)VMI充電電壓為3.6 V，限制電流10 mA，記錄整個充電過程電壓和電流數(shù)據(jù)。

第一階段為恒流充電階段，電壓數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 電芯恒流充電電壓曲線

第二階段為恒壓充電階段，電流數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 電芯恒壓充電電流曲線

從電芯充電過程記錄的數(shù)據(jù)結(jié)果可知，整個過程電芯電壓值較長時間保持在3.3 V至3.5 V之間，可得到結(jié)論：當(dāng)電壓小于3.3 V時，其電容量較低，充電電壓上升較快，電壓在3.3 V至3.5 V之間變化緩慢，難以通過電壓判斷已充電容量，當(dāng)電壓大于3.5 V時，其電容量基本充滿，其電壓上升也較快。

4.2 電芯和電池組充電試驗

選擇充放電特性一致性較好的8只電芯串聯(lián)組成電池組作為充電試驗負(fù)載，設(shè)置電芯充電參數(shù)為：FIMV充電電流3 000 mA，限制電壓為28.8 V，F(xiàn)VMI充電電壓為28.8 V，限制電流10 mA，記錄整個充電過程電壓和電流數(shù)據(jù)。

第一階段為恒流充電階段，電壓數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 電池組恒流充電電壓曲線

第二階段為恒壓充電階段，電流數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 電池組恒壓充電電流曲線

分析串聯(lián)電池組整個充電過程的數(shù)據(jù)可知，電池組電壓小于25.5 V時，電池組電壓快速上升，當(dāng)上升到25.5 V后，上升減緩，直到上升到27.5 V后，電壓在此快速上升，表明此時電池組基本充滿，電壓上升到28.8 V后開始進(jìn)入恒壓充電，電流逐漸減小，直到充滿電量，電流趨近于0 A。整個過程中，尤其是電池組電壓大于27.5 V時，各電芯電壓值變化存在差異，造成最后各電芯電壓也不相同，記錄電池組充滿電時，電芯最小電壓值為3.36 V，最大電壓值為3.65 V。因此對串聯(lián)電池組進(jìn)行串充時，必須注意上限電壓應(yīng)當(dāng)設(shè)置小于各電芯上限電壓的總和，否則充滿電時，部分電芯電壓值會超過單電芯上限電壓，并且這種異常會隨著使用循環(huán)次數(shù)增加而累加，最終導(dǎo)致部分電芯損壞。

5 結(jié)束語

隨著海上鉆井平臺智能化設(shè)備的不斷增加，鋰離子電池在平臺上的應(yīng)用，特別是水下長時間運行裝備領(lǐng)域越來越廣泛，例如合作信標(biāo)、水聲應(yīng)答裝置等，研制的通用程控鋰電池充電設(shè)備采用成熟硬件設(shè)計技術(shù)，結(jié)合智能程控軟件，能夠較好的解決國內(nèi)大部分海上鉆井平臺低壓鋰離子電池充電器規(guī)范不一，通用性不強(qiáng)的問題，滿足了海上鉆井平臺對設(shè)備的通用性需求，同時簡化了設(shè)備維護(hù)管理。但考慮有些海上鉆井平臺運行AC110 V/60 Hz電制的特殊性，在對前端輸入交流電的通用適應(yīng)性上尚存在不足，還需從硬件和軟件方面進(jìn)一步研究，拓展其工作適應(yīng)范圍和快速充電功能，為用戶提供更好的服務(wù)。該產(chǎn)品的成功應(yīng)用有效降低運行成本，提升設(shè)備維護(hù)管理效率，并對海上石油平臺正在開展的“專轉(zhuǎn)通”和“繁化簡”工作有著重要的參考價值。

[1] 遠(yuǎn)坂俊田. 測量電子電路設(shè)計----模擬篇[M]. 北京:科學(xué)出版社，2014.

[2] 岡村迪夫. OP放大電路設(shè)計[M]. 北京:科學(xué)出版社， 2009.

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